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Escola Tècnica Superior d’Enginyeria Industrial de Barcelona
Proyecto Final de Carrera
Ingeniería Industrial
Diseño de una sala de pruebas para motores alternativos de combustión interna
MEMORIA
Autor: Jesús García Pamplona Director: Jesús Álvarez Florez Convocatoria: Marzo 2007 (plan 94)
Diseño de una sala de pruebas para motores alternativos de combustión interna Pág. 1
RESUMEN
Los bancos de ensayos para motores son de vital importancia para el desarrollo de
éstos (o el de alguno de sus componentes) ya que permiten tener un registro de su
comportamiento tanto en las condiciones normales de funcionamiento como en situaciones
extremas a las que puedan verse obligados a trabajar.
Es importante definir la finalidad del banco de ensayos (para producción,
investigación, rectificación,…); el tipo de pruebas a realizar (ensayo de potencia, emisión de
contaminantes, control de temperaturas,…); y, por último, el tipo de motor a probar, pudiendo
ser éstos de combustión (gasoil, gasolina, gas,…) o eléctricos (de corriente continua,
alterna,…).
Esta memoria se centra en el estudio de integración de todos los elementos necesarios
para el diseño de una sala de pruebas para motores endotérmicos de gasoil de bajas vueltas de
hasta 290kW. Hay que destacar como elementos principales en su desarrollo el diseño de las
cabinas de pruebas y de control, la elección del tipo de freno, el análisis de los sistemas de
renovación de aire de la sala, de refrigeración del motor en pruebas y del freno, de
alimentación de combustible, de sistemas de control, de colocación y retirada del motor y de
las medidas de seguridad necesarias, por tratarse las salas de ensayo de entornos con grandes
peligros potenciales.
Se realizará también un estudio económico sobre los costos que genera la instalación
de todos los elementos, acompañado de un diagrama de Gantt que indica el tiempo necesario
para la realización del proyecto, su instalación y la puesta en marcha definitiva.
Al final de la presente memoria se encuentran todos los planos del diseño realizado:
planos en CAD de la sala, de la bancada, de la torre de refrigeración y los esquemas eléctricos
de potencia (para la alimentación de bombas, ventiladores, extractores,…) así como los
manuales de utilización de los componentes utilizados.
Diseño de una sala de pruebas para motores alternativos de combustión interna Pág. 3
ÍNDICE
RESUMEN.................................................................................................................................1
ÍNDICE......................................................................................................................................3
1. INTRODUCCIÓN .................................................................................................................5
2. DISEÑO DE LA SALA .........................................................................................................7
3. CONCEPTOS BÁSICOS ......................................................................................................9
3.1 Sala de pruebas ..............................................................................................................11 3.1.1 Cuestiones previas al diseño de la sala ............................................................................................... 11 3.1.2 Diseños típicos de celdas .................................................................................................................... 11 3.1.3 Dimensiones de la sala de ensayos...................................................................................................... 13 3.1.4 Elementos constituyentes de la sala de ensayos.................................................................................. 14
3.2 Sala de control ...............................................................................................................19 3.2.1 Secuencia de pruebas. Modos de control ............................................................................................ 20 3.2.2 Introducción del PC en la realización de las pruebas.......................................................................... 21
3.3 Tipos de frenos ...............................................................................................................22 3.3.1 Diferencias entre los frenos................................................................................................................. 24 3.3.2 Curvas características de los frenos dinamométricos.......................................................................... 25 3.3.3 Elección del freno a utilizar ................................................................................................................ 26 3.3.4 Conexión entre el freno y el motor ..................................................................................................... 27
3.4 Protecciones en el freno ................................................................................................29 3.4.1 Calidad del agua de refrigeración ....................................................................................................... 29 3.4.2 Termo resistencias .............................................................................................................................. 31 3.4.3 Presostatos .......................................................................................................................................... 31
4. DIMENSIONADO DEL CIRCUITO HIDRÁULICO.......................................................33
4.1 Refrigeración del freno..................................................................................................33
4.2 Refrigeración del motor.................................................................................................33
4.3 Torre de refrigeración ...................................................................................................34
4.4 Diseños típicos del circuito hidráulico..........................................................................35
5. RENOVACIÓN DE AIRE EN LA SALA DE PRUEBAS .................................................37
5.1 Impulsión de aire ...........................................................................................................40 5.1.1 Cálculo del caudal............................................................................................................................... 40 5.1.2 Cálculo de las pérdidas de carga ......................................................................................................... 40 5.1.3 Elección del impulsor ......................................................................................................................... 40
5.2 Extracción de aire ..........................................................................................................41 5.2.1 Cálculo del caudal............................................................................................................................... 41 5.2.2 Cálculo de las pérdidas de carga ......................................................................................................... 41 5.2.3 Elección del extractor ......................................................................................................................... 42
6. SENSORES EN EL BANCO DE PRUEBAS ....................................................................43
6.1 Célula de carga ..............................................................................................................45
6.2 Tacómetro.......................................................................................................................48 6.2.1 Electromagnéticos............................................................................................................................... 48 6.2.2 Ópticos ................................................................................................................................................ 49
Pág. 4 Diseño de una sala de pruebas para motores alternativos de combustión interna
6.3 Medidores de temperatura ............................................................................................ 51 6.3.1 Termómetros de resistencia.................................................................................................................51 6.3.2 Termopares..........................................................................................................................................55
6.4 Medidores de presión..................................................................................................... 57 6.4.1 Por desplazamiento .............................................................................................................................57 6.4.2 Por diafragma ......................................................................................................................................57 6.4.3 Piezoeléctrico ......................................................................................................................................57
6.5 Medidores de combustible ............................................................................................. 58 6.5.1 Método volumétrico ............................................................................................................................59 6.5.2 Método másico ....................................................................................................................................59
6.6 Analizadores de gases de escape y de partículas .......................................................... 60 6.6.1 Medidor de opacidad de humos...........................................................................................................60 6.6.2 Análisis de contaminantes...................................................................................................................61
6.7 Medidores de blow-by.................................................................................................... 63
6.8 Condiciones ambientales de la sala .............................................................................. 63 6.8.1 Temperatura ambiente.........................................................................................................................64 6.8.2 Presión atmosférica .............................................................................................................................65 6.8.3 Humedad relativa ................................................................................................................................65
7. CIRCUITO DE GASOIL .................................................................................................... 67
7.1 Almacenamiento............................................................................................................ 67
7.2 Alimentación de combustible ........................................................................................ 68
8. GASES DE ESCAPE .......................................................................................................... 71
9. AIRE PARA LA ADMISIÓN ............................................................................................. 73
10. IMPACTO AMBIENTAL Y LEGISLACIÓN ................................................................. 75
10.1 Descripción del proyecto ............................................................................................. 75
10.2 Descripción del entorno .............................................................................................. 76
10.3 Valoración cualitativa del Estudio de Impacto Ambiental ........................................ 77
10.4 Conclusiones del Estudio de Impacto Ambiental....................................................... 80
11. HIGIENE Y SEGURIDAD .............................................................................................. 81
11.1 Ley de Prevención de Riesgos Laborales.................................................................... 81 11.1.1 Aspectos a controlar en el puesto de trabajo .....................................................................................82 11.1.2 Servicios de prevención ....................................................................................................................83 11.1.3 Referencias al diseño de la sala.........................................................................................................83
11.2 Procedimiento de arranque......................................................................................... 86
12. MANUAL DE UTILIZACIÓN......................................................................................... 87
13. ANÁLISIS DE COSTOS .................................................................................................. 91
14. PLANIFICACIÓN TEMPORAL ..................................................................................... 93
15. CONCLUSIONES............................................................................................................. 95
16. AGRADECIMIENTOS..................................................................................................... 97
17. BIBLIOGRAFÍA............................................................................................................... 99
Diseño de una sala de pruebas para motores alternativos de combustión interna Pág. 5
1. INTRODUCCIÓN
En la siguiente memoria se detalla la composición de una sala de ensayos para motores
endotérmicos. Ésta consta de al menos dos zonas bien diferenciadas: una donde se realizan las
pruebas necesarias en el motor, y otra desde donde, de manera controlada, se definen las
condiciones de trabajo del motor. En la primera, y durante la ejecución de las pruebas, se
desaconseja la presencia de cualquier persona por los riesgos que esto conllevaría, mientras
que en la segunda es aconsejable la presencia de un responsable para poder solucionar
eventuales problemas que puedan surgir o, simplemente, para verificar el comportamiento del
motor y controlar las condiciones a las que se quiere testear.
Una vez realizadas las pruebas y memorizadas diferentes magnitudes mediante un
sistema de adquisición de datos (las básicas son el régimen de giro del motor y el par o
resistencia de frenado) es posible la graficación de los resultados, permitiendo esto un estudio
detallado del motor y/o de sus componentes.
Diseño de una sala de pruebas para motores alternativos de combustión interna Pág. 7
2. DISEÑO DE LA SALA
A lo largo de esta memoria se va a analizar la implantación de un banco de ensayos
para motores alternativos de combustión interna. En concreto, los motores que se van a probar
son alimentados con gasoil, de una potencia de hasta 400CV con un régimen de giro variable
entre el ralentí del propio motor y 9.500rpm.
Se realiza dentro de una nave ya construida, pero será necesario habilitar el espacio
para la ubicación de la sala de pruebas y la sala de control con las medidas necesarias para
que, durante la realización de las pruebas, el resto de la nave no se vea afectada por los ruidos,
vibraciones, olores o variaciones de temperatura generadas por el motor o los componentes
del sistema. También será necesaria la habilitación del espacio destinado a los sistemas
hidráulicos propios de la sala (como son el sistema de refrigeración del freno y del motor), al
sistema de renovación de aire de la sala de ensayos, al sistema de alimentación de
combustible al motor, la alimentación eléctrica de las bombas y electro-válvulas necesarias y
la alimentación eléctrica de los sistemas de iluminación, control del sistema y adquisición de
datos.
Por otro lado, se aprovecharán los sistemas de extinción de incendios propios de la
nave, si bien será necesaria la colocación de detectores de humos y de incendios y unos
equipos de extinción específicos para las salas de máquinas.
También a lo largo del presente documento se van a analizar los diferentes tipos de
frenos y los modelos existentes en el mercado, con la finalidad de seleccionar el más
apropiado para la sala de ensayos en estudio, así como los controladores de freno y de
aceleración de las diferentes empresas dedicadas a este campo del sector de la automoción. Se
utilizará un depósito para el almacenamiento del combustible, que ha de estar homologado
para tal fin y que permita ser instalado en exteriores, con el fin de evitar riesgos en la nave
general.
Diseño de una sala de pruebas para motores alternativos de combustión interna Pág. 9
Figura 3.1 – Diagrama de bloques
Agua
Potencia
Gases Escape Combustible
Aire
Agua Motor
3. CONCEPTOS BÁSICOS
Un banco de ensayos es un sistema formado por una serie de elementos que permiten
la simulación del comportamiento de un motor y sus características operativas en unas
condiciones controladas, utilizando para ello una serie de instrumentos de control y otros de
medida. La sala de ensayos, como sistema cerrado, tiene el conjunto de entradas y salidas que
se muestra en la “Figura 3.1”:
Las principales aplicaciones de una sala de ensayos son:
- Producción: se utilizan para verificar los motores después del proceso de
fabricación.
- Investigación y desarrollo del motor o de sus componentes: en este caso, se
realizan modificaciones con la finalidad de comprobar experimentalmente las
mejoras desarrolladas de manera teórica.
- Ensayos de aceptación y homologación de motores: cada motor nuevo ha de
ser homologado antes de su comercialización, para verificar que las
características técnicas del motor se corresponden realmente con su
comportamiento.
- Ensayos de emisiones y consumo: este tipo de ensayos suele realizarse como
parte de un conjunto de ensayos en cualquiera de los bancos anteriormente
citados.
- Fines docentes: es habitual que los centros de educación dispongan de bancos
de ensayos para realizar experimentos y contrastar los conocimientos teóricos
con los resultados prácticos.
Pág. 10 Diseño de una sala de pruebas para motores alternativos de combustión interna
En la “Figura 3.2” se muestran imágenes de las diferentes tipologías de bancos de
ensayos: en la superior izquierda un banco de producción; en la superior derecha, un banco de
homologación; el banco de la imagen inferior izquierda se trata de un banco de I+D; por
último, el banco de la imagen inferior derecha se trata de uno del Departamento de Motores
de la E.T.S.E.I.B.
Figura 3.2 – Tipos de bancos
Diseño de una sala de pruebas para motores alternativos de combustión interna Pág. 11
3.1 Sala de pruebas
Se trata de la zona especialmente habilitada para la realización de las pruebas con el
motor, de forma que éstas se realicen de forma segura para los operarios que con él trabajen y
en unas condiciones conocidas y controladas.
3.1.1 Cuestiones previas al diseño de la sala
Puesto que las modificaciones en la sala una vez se ha iniciado su construcción son
costosas y complicadas, es necesario tener en cuenta los siguientes puntos en el diseño:
1. Propósitos específicos de la sala.
2. Prever posibles ampliaciones que puedan afectar al espacio, instalaciones eléctricas e
hidráulicas,...
3. Tiempo de prueba de motores. Forma de anclaje.
4. Combustibles necesarios.
5. Estudio de impacto ambiental: principalmente por ruido y emisiones.
6. Seguridades adoptadas en el local donde se ubica.
3.1.2 Diseños típicos de celdas
Hay un gran sector de la automoción que tiene la necesidad de probar el
funcionamiento de un motor (o de sus componentes) con carga. No obstante, y debido al coste
de una sala de ensayos, esto no es justificación para la construcción de una. Así pues, es
habitual que solamente empresas de mediano y gran tamaño puedan disponer de alguna.
Las necesidades básicas para la celda son:
1. Agua, con diferentes funciones (principalmente la refrigeración del freno y del
motor).
2. Sistema de alimentación del combustible.
3. Sistema de ventilación adecuado.
Pág. 12 Diseño de una sala de pruebas para motores alternativos de combustión interna
4. Conductos para llevar los gases de la combustión al exterior.
5. Insonorización.
6. Sistemas antiincendios y de seguridad.
La disposición más típica de una sala de ensayos (excepto en los casos de bancos de
producción) es la siguiente: hay dos salas, la de control y la de ensayos propiamente dicha. En
la pared que separa a ambas, suele haber una puerta por la que el operario accede a la sala de
ensayos para colocar el motor (que habitualmente entra por una puerta en la pared opuesta) en
la bancada, acoplarlo al freno, preparar el motor para arrancarlo (conexión de agua,
combustible y escape de los gases) y colocar las sondas (temperatura, presión, humos,
consumo,...) que, tal y como se muestra en la “Figura 3.3”, suelen estar en una caja colgante
(1) cerca de la bancada donde se sitúan freno y motor.
Figura 3.3– Conexionado de las sondas
Diseño de una sala de pruebas para motores alternativos de combustión interna Pág. 13
Cuando el motor ya está dispuesto, el operario se retira a la sala de control, desde
donde puede gobernar todo el banco. Los principales sistemas a controlar son:
- Sistema hidráulico.
- Alimentación de combustible.
- Renovación de aire de la sala.
- Arranque y paro del motor.
- Control del motor.
- Control del freno.
También dispone de instrumentación que le permiten conocer en tiempo real las
condiciones de trabajo del motor: par, régimen de giro, potencia, temperaturas, presiones,...
3.1.3 Dimensiones de la sala de ensayos
Una celda en la cual no hay suficiente espacio para moverse cómodamente es una
fuente permanente de peligro y molestias. Las dimensiones de la sala han de ser tales que
permitan que haya un metro alrededor de la bancada, teniendo en cuenta que para calibrar el
par del freno se utilizan unos “brazos de calibración” que han de poder ser colocados sin
problemas. Por otro lado, la altura ha de ser suficiente para acoplar el motor y el freno
(habitualmente mediante la utilización de un polipasto), y permitir el acoplamiento para la
extracción de los gases de combustión.
Pág. 14 Diseño de una sala de pruebas para motores alternativos de combustión interna
3.1.4 Elementos constituyentes de la sala de ensayos
A continuación se detallan los elementos fijos en la sala de ensayos, tanto los que
forman la propia cabina como los necesarios para la colocación y adaptación del motor en
prueba. En la “Figura 3.4” se pueden ver ejemplos de cada uno de ellos.
a) Paredes
Han de cumplir con una serie de normas de instalaciones industriales. Los
materiales que las componen han de soportar el peso de los equipos que deban de
ir montadas en ellas. Deben también cumplir con las normativas vigentes de
insonorización y retención de incendios (se analiza este punto con más detalle en
el apartado “11. HIGIENE Y SEGURIDAD”). Actualmente las paredes suelen ser
de paneles hechos con material absorbente de ruido entre láminas de metal, siendo
habitualmente el lado de la cabina perforado.
En la “Figura 3.4” se muestra, en la posición ‘1’, un ejemplo del tipo de
paneles más utilizados para la constitución de las paredes en las salas de pruebas.
Figura 3.4– Elementos de la sala de ensayos
Diseño de una sala de pruebas para motores alternativos de combustión interna Pág. 15
b) Puertas
Deben cumplir varios propósitos: por un lado han de atenuar el ruido (al igual
que las paredes de las salas), así como ser antideflagrantes para evitar un incendio.
Hay que tener también en cuenta que el diseño del sistema de ventilación puede
dificultar la apertura o cierre de las mismas. Es aconsejable (aunque no es
obligatorio) que dispongan de una pequeña ventana y de las debidas señalizaciones
de “Salida”.
En la posición ‘2’ de la “Figura 3.4” se pueden observar las puertas de acceso
a la sala de pruebas. Éstas han de ser de unas dimensiones tales que permitan la
entrada del motor cómodamente.
c) Iluminación
Es necesario que la luminaria no sufra movimientos provocados por la
ventilación de la sala y dé una iluminación suficiente, que a su vez no provoque
deslumbramientos al operario que se encuentra en la sala de control. Para realizar
el diseño de iluminación hay que tener en cuenta las dimensiones de la sala y la
iluminación mínima necesaria (ver apartado “11. HIGIENE Y SEGURIDAD”).
También es necesaria una iluminación de emergencia tanto en la sala de pruebas
como en la sala de control.
En la “Figura 3.4” (posición ‘3’) se puede observar un ejemplo de luminarias
colocadas en la sala de pruebas.
d) Paros de emergencia
Puesto que en ocasiones es necesario que un operario entre la sala con el motor
en marcha para comprobar algunos parámetros del motor o, incluso, hacer alguna
modificación (en cuyo caso es aconsejable que permanezca un segundo operario
en la sala de control), es necesario que se disponga dentro de la misma de un
sistema eficaz de parada, cuya disposición y cantidad será función de las
dimensiones y del diseño de la sala. El sistema tradicional del circuito de paro de
emergencia es cortar la red eléctrica a todos aquellos equipos relacionados con el
funcionamiento del motor sin que esto afecte a las instalaciones colindantes.
Pág. 16 Diseño de una sala de pruebas para motores alternativos de combustión interna
En la posición ‘4’ de la “Figura 3.4” se observa la colocación de pulsadores de
emergencia en la sala de pruebas. Además de los pulsadores que haya en dicha sala
(uno o varios en función de las dimensiones de la misma) los hay también en la
sala de control, que actúan del mismo modo.
e) Control de incendios
La alarma de incendios debe de ser independiente al sistema de paro de
emergencia y ha de provocar la desactivación total de los equipos que se
encuentren en el conjunto del banco de ensayos, especialmente el de ventilación,
puesto que en caso de incendio es del todo indeseable que éste continúe en marcha
puesto que podría propagarlo a otras dependencias. Para ello, es habitual la
colocación de compuertas automáticas en los conductos de entrada y salida de aire
de la sala, de forma que en caso de incendio se cierren y eviten su propagación.
f) Bancada
Es la superficie donde se colocan el freno y el motor. Es aconsejable que ésta
esté sobre una base sísmica para evitar que las vibraciones que pueda producir el
conjunto freno/motor afecten al entorno, y también a la inversa. Otra solución es la
introducción de “silent blocks” que permitan equilibrar el banco y,
fundamentalmente, actúen como amortiguadores de vibraciones.
En la “Figura 3.4” (posición ‘6’) se puede observar una bancada que sirve de
base tanto para el freno como para el propio motor.
g) Transmisión y cárter de protección
El cárter (posición ‘7’ de la “Figura 3.4”) es una protección que previene del
contacto con las partes móviles del motor. Ha de ser resistente a los golpes que
tendría que soportar en caso de una rotura de la transmisión pero, a su vez, ligero
para facilitar su colocación y su extracción cuando sea necesario para la
manipulación del motor.
Diseño de una sala de pruebas para motores alternativos de combustión interna Pág. 17
Tras la elección del freno apropiado en el diseño de una sala de ensayos, el
fabricante del mismo suministra tanto la transmisión como el cárter de protección
necesario para dicho freno.
h) Conexiones al motor
Son necesarias realizar un número considerable de conexiones al motor antes
de realizar las pruebas: transmisión, combustible, agua de refrigeración y gases de
escape (todas ellas pueden verse en la posición ‘8’ de la “Figura 3.4”). Es por
todo ello por lo que resulta necesario diseñar la sala de ensayos de tal manera que
se pueda realizar de forma cómoda la conexión entre el freno y el motor a través
de la transmisión (utilizando un polipasto), abastecer al freno y al motor de agua
para su refrigeración, disponer de un sistema que suministre combustible al motor
en pruebas y realizar la extracción de los gases de escape al exterior de la sala.
Tanto la alimentación de agua como la de combustible se acostumbran a
realizar mediante tuberías hasta la bancada que soporta tanto al freno como al
motor, siendo conveniente que éstas acaben en una válvula manual que permita su
conexión mediante un tubo flexible al motor, facilitando así su conexión y
desconexión.
En los siguientes apartados de esta memoria se estudian una a una cada una de
estas conexiones. En el apartado “3.3.4 Conexión entre el freno y el motor” se
analizan los diferentes tipos de transmisiones; en el apartado “4.1 Refrigeración
del freno” y “4.2 Refrigeración del motor” las conexiones para la refrigeración del
freno y del motor; en el apartado “7. CIRCUITO DE GASOIL” lo referente a la
alimentación del combustible; y en el apartado “8. GASES DE ESCAPE” los
sistemas de extracción más utilizados.
i) Centralita de conexiones
También en la sala de ensayos es habitual ver instalada una caja colgante.
Dicha caja dispone, internamente, de los módulos de adquisición de datos para las
Pág. 18 Diseño de una sala de pruebas para motores alternativos de combustión interna
magnitudes que se deseen medir bien sea en el propio motor, en otros elementos
de la sala o para medir las condiciones ambientales durante la realización de las
pruebas. En el frontal de la caja quedan disponibles diferentes tipos de conectores
para cualquiera de las sondas utilizadas (ver posición ‘9’ de la “Figura 3.4”).
La centralita de conexiones suele estar fijada a la pared mediante dos
articulaciones. La primera de ellas se encuentra entre la propia centralita y un
brazo-soporte. Permite la rotación en el eje perpendicular al suelo, principalmente
para poderla orientar hacia el motor. La segunda de las articulaciones está entre el
propio brazo-soporte y la pared, permitiendo el acercamiento de la centralita hacia
la zona de la bancada y, en caso de ser necesario, permite retirar la centralita de
esta posición y colocarla paralela a la pared, principalmente para evitar
interferencias durante la entrada o salida del motor de la sala.
Diseño de una sala de pruebas para motores alternativos de combustión interna Pág. 19
3.2 Sala de control
En este apartado estudiaremos todos los elementos que forman parte de la sala de
control en un banco de pruebas. En la “Figura 3.5” que se muestra a continuación puede
verse con detalle cada uno de los elementos que componen una sala de control típica:
Puesto que el operario va a pasar gran parte del tiempo en esta sala, es necesario que
ésta sea lo más confortable posible. En caso de que haya equipos con gran consumo y que
desprendan calor, habrá que tenerlos en cuenta a la hora de climatizar la sala. Entre la sala de
control y la sala de pruebas acostumbra a haber una ventana que permite al operario ver
directamente el motor (posición ‘1’ en la “Figura 3.5”), si bien hay salas de pruebas
monitorizadas donde la ventana es del todo prescindible. En este tipo de salas, el diseño y
construcción de la cabina es mucho más sencillo.
Todos los instrumentos de control (de acelerador, de freno, de arranque, de
consumo,...) se agrupan en la “consola de control” (posición ‘2’ en la “Figura 3.5”), que ha
de incluir espacio para la introducción de equipos adicionales a los ya instalados. La
distribución de los equipos en la consola de control se intenta que sea lo más ergonómica
posible. Es por ello que las unidades centrales se destinan a los equipos utilizados más
Figura 3.5– Sala de control
Pág. 20 Diseño de una sala de pruebas para motores alternativos de combustión interna
habitualmente, mientras que se destinan las unidades superiores e inferiores a los que se
utilizan esporádicamente.
El principal objetivo de la consola de control es que el operario pueda gobernar el
motor directamente, controlando principalmente el par y la velocidad. También quedan
visibles para el operario a través de la consola magnitudes secundarias pero no por ello de
menor importancia, como pueden ser la temperatura de agua del motor, presión de aceite,
temperatura de los gases de escape,... Es por ello por lo que acostumbra a haber en la consola
una serie de visualizadores (posición ‘3’ en la “Figura 3.5”), o bien directamente a través de
un software de control y gestión de pruebas (posición ‘4’ en la “Figura 3.5”), mediante
visualizadores integrados en los diferentes módulos o con indicadores analógicos o digitales
externos. Todas las magnitudes que se estén midiendo durante una prueba quedan
almacenadas en memoria en un ordenador, siendo luego posible visualizar los resultados
mediante tablas y gráficas.
3.2.1 Secuencia de pruebas. Modos de control
Realizar una prueba en un motor acoplado a un freno consiste, habitualmente, en
imponer una secuencia de valores deseados de par de freno y de régimen de giro de motor.
Esta secuencia permite llevar al motor a unas condiciones de trabajo determinadas, pudiendo
observar y controlar los parámetros de funcionamiento del motor al variar sus condiciones
operativas.
Directamente desde la Sala de Control se pueden modificar dos consignas: una permite
la regulación de la velocidad del motor y otra la regulación del par del freno. Esta última
regulación (tal y como se explica en el apartado “3.3 Tipos de frenos”) se hace de diferentes
maneras en función del tipo de freno: regulando las válvulas de ingreso y salida de agua en un
freno hidráulico, mediante la excitación de una bobina en frenos eléctricos,... Tanto freno
como motor tienen sus propias curvas características de régimen-par, y es mediante la
interacción de ambas como se impone la secuencia de control al motor.
Los diferentes modos de control durante la ejecución de las pruebas y tanto para el
Diseño de una sala de pruebas para motores alternativos de combustión interna Pág. 21
freno como para el motor son el modo “porcentual” (%), el modo regulación a “velocidad
constante” (N=k) y el modo regulación a “par constante” (M=k). Es posible combinar varias
de estos modos de trabajo, de forma que el freno y el motor actúen de diferente manera. A
continuación se detallan las más habituales:
Modo porcentual: Este es el modo clásico de realización de las pruebas. El acelerador
se encuentra en una posición determinada y el freno impone una carga fija. Se trata de
un sistema en lazo abierto, sin realimentación.
Modo porcentual combinado con modo N = k: en este caso, la posición del acelerador
es fija, mientras que el freno varía de forma automática el par impuesto para mantener
la velocidad constante. Sistema en lazo cerrado de regulación.
Modo porcentual combinado con modo M = k: también en este caso la posición del
acelerador es fija, pero el freno impone un par constante independientemente del
régimen de giro del motor. Lazo cerrado de regulación.
Modo N = k combinado con modo M = k: en este modo de control es habitual que el
freno regule automáticamente el par mientras que el acelerador regula su posición para
mantener un régimen de giro constante. Es también posible el caso inverso.
3.2.2 Introducción del PC en la realización de las pruebas.
A pesar de que es posible realizar las pruebas de una forma completamente manual, el
hecho de poder gobernar tanto el actuador del freno como el del acelerador directamente
desde el PC dota al banco de ensayos de mucha más versatilidad, permite realizar pruebas de
larga duración sin ningún tipo de problemas y, además, puesto que es posible visualizar y
memorizar el estado de todas las magnitudes disponibles en el ordenador, es posible la
graficación y tabulación de las mismas para el posterior análisis del motor o de cualquiera de
sus componentes.
Pág. 22 Diseño de una sala de pruebas para motores alternativos de combustión interna
3.3 Tipos de frenos
El freno es el elemento utilizado para equilibrar el par y absorber la potencia dada por
el motor. Si el motor girase en vacío, no sería posible caracterizar los diferentes puntos de
funcionamiento del motor.
El freno de fricción mecánico por zapata y tambor fue el primero utilizado, llamado
“freno de Prony” (“Figura 3.6”), si bien debido a su inestabilidad y dificultad de regulación y
refrigeración hoy es sólo un antecedente histórico. En la siguiente figura se muestra el
principio de su funcionamiento.
De entre los frenos más utilizados en la actualidad, destacan dos de ellos: el freno
hidráulico y el electromagnético. La principal diferencia entre ambos es cómo se genera la
fuerza frenante.
En los frenos hidráulicos, la acción de frenado es producida por la fricción de un
fluido (habitualmente agua) entre los dos elementos sólidos (rotor y estator). La regulación se
efectúa mediante la variación del nivel del líquido en la cámara hidráulica. La potencia
generada se transforma en calor aumentando la temperatura del agua, por lo que es fácilmente
disipable mediante la renovación del fluido. El agua es, por tanto, elemento frenante y
refrigerante a la vez. En algunos casos se trabaja con un circuito cerrado con un
Figura 3.6– Freno de Prony
Diseño de una sala de pruebas para motores alternativos de combustión interna Pág. 23
intercambiador de calor, lo que permite la recuperación de energía.
En la “Figura 3.7” se observa una sección de un freno hidráulico, con todos los
elementos que lo componen.
En el caso de los frenos electromagnéticos (“Figura 3.8”), la acción de frenado se
produce mediante la variación del flujo electromagnético creado por unas bobinas alimentadas
con corriente continua situadas en el estator y que concentran el campo magnético sobre el
rotor. La potencia absorbida genera corrientes parásitas de Foucault que son disipadas en
forma de calor. Mediante la variación de la alimentación de las bobinas del estator se
consigue la regulación del par resistente. Este tipo de frenos también dispone de un sistema
hidráulico cuya única finalidad es la de evitar el excesivo calentamiento del rotor.
Figura 3.8– Sección de un freno electromagnético
Figura 3.7 – Sección de un freno hidráulico
Pág. 24 Diseño de una sala de pruebas para motores alternativos de combustión interna
También puede observar en la “Figura 3.8” el sistema clásico de medición del par
(mediante el uso de pesos y contrapesos), si bien en los frenos actuales se sustituye este
sistema por un transductor de fuerza, mientras que las palancas se utilizan únicamente para la
calibración del par (tal y como se verá en el apartado “6.1 Célula de carga”).
3.3.1 Diferencias entre los frenos
Prescindiendo del freno de tipo Prony, por tratarse éste simplemente de un antecedente
histórico de los frenos dinamométricos debido a la dificultad en el control del par resistente,
en la elección del tipo de freno hay que analizar las ventajas e inconvenientes que presentan
los frenos hidráulicos y los electromagnéticos, que quedan reflejadas en la “Tabla 3.1”:
Ventajas Inconvenientes
Bajo coste para potencias
absorbidas elevadas Baja estabilidad
Larga duración Poco par resistente a pocas
vueltas Frenos Hidráulicos
Reparaciones rápidas y poco
costosas
Par de frenado dependiente de
la presión de la red hidráulica
Control preciso Mayor Coste Frenos
electromagnéticos Bajo coste de mantenimiento Alta inercia
A pesar de que el coste de adquisición de los frenos electromagnéticos es superior al
de los hidráulicos, pero teniendo por el contrario que el primero de ellos presenta una mayor
estabilidad y precisión en el control, el freno seleccionado para la sala de pruebas en estudio
será electromagnético, siendo necesario decidir cuál de entre los modelos existentes en el
mercado es el más indicado para nuestra aplicación. Este punto se tratará en el apartado “3.3.3
Elección del freno a utilizar” de esta memoria.
Tabla 3.1– Comparativa entre frenos
Diseño de una sala de pruebas para motores alternativos de combustión interna Pág. 25
3.3.2 Curvas características de los frenos dinamométricos
Las curvas características delimitan la zona de trabajo del dinamómetro. Los
parámetros citados a continuación son importantes a la hora de decidir el freno para el banco
de ensayos, y podrán verse en sus curvas características:
1. Curva de potencia a máxima carga (curva A): corresponde a la variación del producto
del par absorbido y el régimen de giro. En el caso de los frenos hidráulicos se obtiene
con una apertura total de las esclusas para el agua y, en los frenos de corrientes
electromagnéticas con la máxima excitación en las bobinas.
2. Par máximo (recta B): el par máximo viene limitado por la resistencia mecánica,
especialmente en los frenos hidráulicos.
3. Potencia máxima (recta C): máxima potencia a la cual puede ser utilizado el
dinamómetro, función del caudal de agua a la salida del freno y del incremento
permisible de su temperatura.
4. Régimen máximo de velocidad de giro (recta D): límite determinado por los cojinetes
de rotación y centrifugación de masas rotativas.
5. Par mínimo (curva E): es la curva cuyo par es del mismo orden de magnitud que el par
de fricción del freno (rozamiento y venteo) y que, por tanto, en esta zona puede llevar
a error.
6. Límite de la célula de carga: la permitida por la célula de carga.
Pág. 26 Diseño de una sala de pruebas para motores alternativos de combustión interna
En las siguientes imágenes se muestran las curvas características de par y potencia de
un freno hidráulico (“Figura 3.9”) y de un freno electromagnético (“Figura 3.10”).
3.3.3 Elección del freno a utilizar
El freno escogido para la sala de ensayos se trata del tipo electromagnético puesto que,
y tal y como se ha visto en el apartado “3.3.1 Diferencias entre los frenos”, permite un control
más preciso del par de frenado. Por otro lado, permite probar motores con un alto valor de par
y también valores elevados de régimen de giro, lo que lo hace mucho más versátil que los
frenos hidráulicos.
En los CD’s adjuntos se pueden observar los catálogos de frenos electromagnéticos de
Figura 3.9– Curva característica de frenos hidráulicos
Figura 3.10– Curva característica de frenos electromagnéticos
Diseño de una sala de pruebas para motores alternativos de combustión interna Pág. 27
las firmas APICOM y AVL. Los modelos más apropiados para nuestra aplicación son los
siguientes:
- APICOM: Modelo “FR-400”. Potencia máxima de 290kW, par máximo de
2.000Nm, régimen de giro máximo de 9.500rpm y momento de inercia de
0,60kg·m2.
- AVL: Modelo “Alpha 350”. Potencia máxima de 350kW, par máximo de
1.500Nm, régimen de giro máximo de 10.000rpm y momento de inercia de
0,41kg·m2.
Cualquiera de los dos modelos es válido para nuestra aplicación. Para la tipología de
banco en estudio (banco de pruebas para motores) la pequeña diferencia en el valor del
momento de inercia no es importante (podría serlo en el caso de un banco de pruebas de final
de línea de montaje del vehículo). Así pues, para la elección del modelo del freno a utilizar
nos centraremos en el aspecto económico tanto del propio freno como de elementos que serán
también necesarios para su control. Es por ello por lo que el freno elegido se trata del
APICOM FR-400, un 15% menos costoso que el AVL ALPHA 350 (para más información de
los costes del freno y su componente, ver el apartado “13. ANÁLISIS DE COSTOS “).
3.3.4 Conexión entre el freno y el motor
Para la conexión del freno al motor a probar se deben de utilizar juntas de transmisión.
Éstas tienen la propiedad de permitir que el conjunto mecánico funcione correctamente
aunque no exista una alineación perfecta entre ambos ejes. Según el tipo de desalineación
existen distintos tipos de juntas, limitándonos a describir dos de las más comunes:
- Las juntas flexibles están constituidas por un disco flexible, en cuyas caras van
unidos los extremos de los eje que enlazan. Con estas juntas se consigue la
flexibilidad de la transmisión y la absorción de sus desplazamientos longitudinales.
- Las juntas cardánicas (ver la “Figura 3.11” en la siguiente página), cuyo uso
habitual es el de la transmisión de movimiento y potencia entre dos ejes que se
Pág. 28 Diseño de una sala de pruebas para motores alternativos de combustión interna
cortan. Este tipo de juntas están formadas por dos horquillas (A y B) fijadas a los
extremos de cada uno de los ejes en movimiento. Las horquillas están unidas a una
cruz rígida (C) mediante cojinetes que permiten la rotación de las horquillas A y B,
respectivamente, alrededor de los ejes aa’ y bb’, formados por los brazos de la
cruz.
Tras la elección del freno, resulta necesaria la elección de la transmisión. El fabricante
ofrece las siguientes alternativas:
- TIPO TC (Transmisión cardánica).
- TIPO TCA (Transmisión cardánica prolongable).
- TIPO TECA (Transmisión elástica cardánica prolongable).
- TIPO TE (Transmisión elástica).
- TIPO TEA (Transmisión elástica prolongable).
Y para los ensayos con motores diesel aconseja las tipo TECA, con una junta
cardánica en el lado del freno y, en el lado del motor, se coloca la junta elástica. La
transmisión TECA es, además, prolongable para permitir su ajuste longitudinal. Para el freno
seleccionado (FR-400) la transmisión necesaria es a TECA-400.
En el manual del fabricante (“Manual serie FR”, que puede verse en los CD’s
adjuntos a esta memoria) se puede consultar información sobre dicha transmisión.
Figura 3.11– Junta cardánica
Diseño de una sala de pruebas para motores alternativos de combustión interna Pág. 29
3.4 Protecciones en el freno
Los frenos incorporan una serie de protecciones que los protegen en caso de haber
alguna insuficiencia en el circuito hidráulico. Los sistemas de seguridad se componen,
principalmente, de dos sondas de temperatura para el agua y una sonda de presión, que evitan
una sobreexcitación de las corrientes del freno que podrían provocar el deterioro de las
bobinas.
Además de estos sistemas, intrínsecos al freno, es necesario tener un control del agua
que por él circula para evitar averías.
3.4.1 Calidad del agua de refrigeración
Al hacer la planificación de la instalación hidráulica hay que tener en cuenta, además
del abastecimiento del agua, su calidad. Esto supone la eliminación de bacterias infecciosas,
algas,… y, en caso de ser necesario, realizar un tratamiento del agua para evitar averías en el
freno. La mayoría de los fabricantes de dinamómetros dispone de tablas donde se indica los
requisitos del agua para su funcionamiento. Estos son algunos de los parámetros a controlar:
- Sólidos en suspensión: es necesario que el agua esté libre de impurezas en estado
sólido por lo que, en caso de provenir de un río u otra fuente natural es necesario hacer
un filtrado previo, además de otros tratamientos especiales (ionización,
coagulación,…). Rango necesario: 2÷3mg/l.
- Dureza: se trata de una cualidad del agua compleja y difícil de medir objetivamente. El
agua dura, al alcanzar una temperatura de 70º C, deposita en los conductos calcio, que
deteriora el dinamómetro y otros elementos del banco de ensayos como los
intercambiadores de calor. Tampoco es bueno que el agua sea demasiado blanda
puesto que provoca corrosión. Rango necesario: 30÷70 ppm CaCO3.
- pH: el rango ideal es entre 7÷8.4, es decir, ligeramente básico.
- …
Pág. 30 Diseño de una sala de pruebas para motores alternativos de combustión interna
En la “Tabla 3.2” se muestran los parámetros que ha de cumplir el agua según el
fabricante del freno que hemos elegido para nuestra aplicación (APICOM FR-400):
UNIDA DE MEDIDA VALORES
VALORES pH pH 7 - 9
DUREZA TOTAL(CaCO3) TH < 15
SALINIDAD TOTAL (NaCl) mg/l < 1500
NITRATOS mg/l < 50
CLORUROS mg/l < 150
SULFATO (SO3) mg/l < 150
MANGANESO mg/l < 0,15
SUSTANCIAS ORGANICAS mg/l < 2
SOLIDOS EN SUSPENSION mg/l < 2
ANHIDRIDOS CARBONICOS
LIBRES mg/l < 3
HIERRO mg/l < 0,2
ACEITES mg/l 0
ALCALINIDAD TOTAL mg/L CaCO3 < 600
Tabla 3.2– Calidad del agua de refrigeración
Diseño de una sala de pruebas para motores alternativos de combustión interna Pág. 31
3.4.2 Termo resistencias
En los tubos de salida de agua de refrigeración del freno acostumbra a haber instaladas
dos termo resistencias, con la finalidad de medir la temperatura a la salida del freno y evitar
que éste pueda llegar a trabajar en condiciones que provocarían el rápido deterioro de sus
componentes. Las termo resistencias están ajustadas a 60º C, y en caso de que la temperatura
supere este valor hacen saltar la alarma del freno, interrumpiendo la excitación de las bobinas
del freno y, por tanto, parando su funcionamiento.
En la “Figura 3.12” (posición ‘1’) se puede observar la colocación de la sonda de
temperatura:
.
3.4.3 Presostatos
También en los tubos de agua para la refrigeración del motor, pero en este caso a la
entrada, hay colocado un presostato. Su función es la de controlar la presión de entrada de
agua al freno para que, en caso de ser inferior a la requerida y por tanto suponga un riesgo de
sobrecalentamiento, intervengan los dispositivos de seguridad y provoquen el paro del freno,
Figura 3.12– Sondas en el freno
Pág. 32 Diseño de una sala de pruebas para motores alternativos de combustión interna
dejando de alimentar a las bobinas. El caudal y la presión necesarios para el funcionamiento
del freno vienen determinado por el fabricante del mismo.
En la anterior “Figura 3.12” (posición ‘2’) queda reflejada la situación del presostato
en el freno.
Diseño de una sala de pruebas para motores alternativos de combustión interna Pág. 33
4. DIMENSIONADO DEL CIRCUITO HIDRÁULICO
El agua es el mejor fluido para hacer la refrigeración del freno ya que, además de que
su calor específico (ce = 4.19 kJ/kg·K) es mayor que el de otros líquidos, tiene poca
viscosidad, no es corrosivo y resulta sencillo disponer de él.
La relación entre el caudal de agua necesario para disipar una determinada cantidad
de calor viene dado por la ecuación (Ec. 4.1):
disiparamáximaPotenciaHaguadensidad
Ecaguaespecíficocalorcdonde
smTc
HQ
L
w
esp
wesp
Lw
::
)1.4.(:,
/··
3
ρ
ρ ∆=
4.1 Refrigeración del freno
En nuestro caso, considerando un salto térmico entre la salida de agua de refrigeración
del freno y la entrada de 20º y teniendo en cuenta que:
hmsmKmkgkgKkcal
kWQ
obtenemosEcecuaciónladekWH
mkg
Kkgkcalc
w
L
w
esp
/47,12/20·/1000·/1
290:)1.4.(
290/1000
·/1
333
3
==
==
=
ρ
4.2 Refrigeración del motor
Para realizar el cálculo del caudal de agua necesario para refrigerar el motor, hemos de
tener en cuenta que, aproximadamente un 24% de la potencia total del mismo se disipa en
Pág. 34 Diseño de una sala de pruebas para motores alternativos de combustión interna
forma de calor en el sistema de refrigeración por agua (en los motores Diesel;
aproximadamente un 30% en los Otto). Por lo tanto, y teniendo en cuenta que:
kWhgespecíficoConsumokgkcalcaloríficoPoder
kWmotorPotencia
/272/10200
290:
==
la potencia a disipar en este caso es de 193.098 kcal/h (=225 kW). Y considerando el salto
térmico de 20º.
hmsmKmkgkgKkcal
kWQ
obtenemosEcecuaciónladekWH
mkg
Kkgkcalc
w
L
w
esp
/65,9/20·/1000·/1
225:)1.4.(
225/1000
·/1
333
3
==
==
=
ρ
4.3 Torre de refrigeración
En las torres de refrigeración se consigue la disminución de la temperatura del agua
caliente que proviene de un circuito de refrigeración mediante la transferencia de calor al aire
por el interior de la torre. A fin de mejorar el contacto aire-agua, se utiliza un entramado
denominado “relleno”. El agua entra en la torre por la parte superior y se distribuye
uniformemente sobre el relleno utilizando pulverizadores. De esta forma se consigue un
contacto óptimo entre el agua y el aire atmosférico.
El relleno sirve para aumentar el tiempo y la superficie de intercambio entre el agua y
el aire. Una vez establecido el contracto entre el agua y el aire, tiene lugar la transferencia de
calor del agua primero hacia el segundo. Éste se produce debido a dos mecanismos: la
transmisión de calor por convección y la transferencia de vapor desde el agua al aire, con el
consiguiente enfriamiento del agua debido a la evaporación. Teniendo en cuenta las
condiciones del aire cuando entra en la torre de refrigeración, sólo entre el 10% y el 15% del
Diseño de una sala de pruebas para motores alternativos de combustión interna Pág. 35
calor se elimina por convección. Al entrar en contacto el aire con el agua se forma una fina
película de aire húmedo saturado sobre la lámina de agua que desciende por el relleno. Esto es
debido a que la presión parcial de vapor de agua en la película de aire es superior a la del aire
húmedo que circula por la torre, produciéndose una cesión de vapor de agua. Esta masa de
agua evaporada extrae el calor latente de vaporización del propio líquido. Este calor latente es
cedido al aire, obteniéndose un enfriamiento del agua y un aumento de la temperatura del aire.
La forma más habitual de clasificar las torres de enfriamiento es según la forma en que
se mueve el aire a través de éstas. Según este criterio, existen torres de circulación natural (el
movimiento del aire sólo depende de las condiciones climáticas y ambientales) y torres de tiro
mecánico (utilizan ventiladores para mover el aire a través del relleno). Estas últimas son las
utilizadas en los bancos de ensayo de motores puesto que proporcionan un control total sobre
el caudal de aire suministrado, además de por ser de unas dimensiones mucho más reducidas
que las torres de tiro natural.
En el apartado “A.9 Torre de refrigeración” del Anexo “A. PLANOS Y ESQUEMAS”
se puede ver el plano de la torre de refrigeración utilizada para la sala de pruebas en estudio,
con características necesarias para disipar el calor producido tanto en el motor en pruebas
como en el freno dinamométrico.
4.4 Diseños típicos del circuito hidráulico
Los sistemas de refrigeración se pueden realizar de tres maneras diferentes:
1. Columnas de refrigeración: Se trata de la solución más sencilla y, también, más
económica. Se coloca junto al motor en prueba y cuando este alcanza una determinada
temperatura intercambia agua caliente por agua fría.
2. Circuito abierto de refrigeración (sin presión): En la “Figura 4.1” de la siguiente
página se puede ver el diseño habitual de este tipo de instalaciones.
Pág. 36 Diseño de una sala de pruebas para motores alternativos de combustión interna
Consta de una plataforma donde reposa un depósito para el agua dividido en dos
zonas, la caliente y la fría (también es habitual utilizar depósitos independientes). Una
bomba envía el agua caliente a un intercambiador de calor, que enfría el agua y la lleva
hasta el depósito de agua fría. El agua, tanto para el freno como para el motor, se envía
mediante una segunda bomba desde el depósito de agua fría y, después, se vuelve a
llevar al depósito de agua caliente.
En este tipo de instalaciones hay pequeñas pérdidas producidas en la torre de
refrigeración, con lo que resulta necesario disponer de una entrada adicional de agua
(habitualmente de la propia red) para compensar dichas pérdidas.
3. Circuito cerrado de refrigeración: este sistema puede ser utilizado en los frenos
eléctricos. Se trata de un sistema hidráulico cerrado y puede ser necesario realizar un
tratamiento al agua para cumplir con las especificaciones dadas por el fabricante del
dinamómetro. El diseño debe garantizar un caudal constante a través del dinamómetro,
independientemente de las variaciones de temperatura que se puedan producir.
Figura 4.1– Circuito abierto de refrigeración
Diseño de una sala de pruebas para motores alternativos de combustión interna Pág. 37
5. RENOVACIÓN DE AIRE EN LA SALA DE PRUEBAS
A la hora de dimensionar el sistema de renovación de aire de la sala hay que tener en
cuenta que se trata de un sistema termodinámicamente abierto. Es importante el buen
dimensionado del mismo porque los resultados de las pruebas y, por tanto, las características
del motor en ensayo, son función de la temperatura, presión y humedad relativa de la sala.
Hay dos métodos mediante los cuales se puede dimensionar el sistema de ventilación
de la sala:
- El primero, consiste en determinar el caudal en función del número de
renovaciones del aire de la sala necesarias cada hora (entre 30 y 60 renovaciones
por hora en salas de máquinas con ambientes nocivos). Este número se multiplica
por el volumen de la sala y se obtiene el caudal de aire necesario en la sala de
ensayos.
- El segundo, mucho más preciso, consiste en determinar el caudal de aire necesario
para disipar el calor generado por el motor. Este es el que vamos a utilizar en
nuestro caso.
Podemos considerar la distribución de la potencia generada por la combustión del
gasoil en el motor en pruebas estimando su consumo específico y considerando el poder
calorífico del combustible de 10.200 kcal/kg, tal y como se muestra en la “Tabla 5.1”:
Tipo de motor Diesel UnidadesConsumo específico 272 gr/kWhPoder calorífico inf 10.200 kcal/kgPotencia motor 290 kWPotencia total 804.576 kcal/hPotencia nominal util 249.400 kcal/h% Potencia útil 31 %Calor disipado en el agua 24 %Calor irradiado al ambiente de instalación agua y aceite 2 %Calor gases de escape 33 %Calor irradiado al ambiente de instalación gases de escape 3 %Calor irradiado del motor al ambiente 7 %
Total 100 % Tabla 5.1– Distribución de potencia
Pág. 38 Diseño de una sala de pruebas para motores alternativos de combustión interna
La temperatura de la sala de ensayos aumentará hasta una temperatura en la que haya
un equilibrio entre el calor generado y el calor disipado por el sistema de ventilación, que es
función de la diferencia de temperaturas entre la entrada y la salida (∆T). El caudal de aire
necesario (Qa) viene dado por la ecuación (Ec. 5.1):
calordeaCHairedensidad
Ecaireespecíficocalorcdonde
smTc
HQ
L
a
esp
aesp
La
arg::
)1.5.(:,
/··
3
ρ
ρ ∆=
Es habitual considerar un incremento entre la temperatura de entrada y la de salida de,
aproximadamente, 15º C.
De la ecuación de los gases (Ec. 5.2) tenemos que:
[ ][ ]
[ ]CaireatemperaturTKkgJcteR
Ecmkgairedeldensidad
baraatmosféricpresiónpdonde
tRp
a
a
a
aa
º:·/287:
)2.5.(/:
:,
)273·(·10·
3
5
≡
+=
ρ
ρ
En condiciones normales de prueba en la sala, con ta = 25º C y pa = 1013,25 mbar, la
densidad del aire obtenida de la ecuación (Ec. 5.2) es:
35
/185,1298·287
10·01325,1 mkga ==ρ
El calor específico del aire en condiciones normales de presión y temperatura es:
KkgkJCesp /01,1=
Diseño de una sala de pruebas para motores alternativos de combustión interna Pág. 39
La carga de calor (HL) la podemos obtener de la “Tabla 5.1” como:
hkcalnteCalorAmbie
TotalPotH L /549.96100
)732(·576.804100
%·. =
++== ∑
Ahora ya podemos realizar el cálculo del caudal de aire necesario para realizar la
ventilación de la sala de pruebas, utilizando la ecuación (Ec. 5.1):
hmKmkgKkgkJ
calJhkcalsmTc
HQaesp
La /501.22
15·/185,1··/01,1/184,4·/549.96/
··3
33 ==
∆=
ρ
Una vez determinado el caudal de aire necesario, hay que analizar el sistema de
ventilación utilizado. Lo más apropiado es utilizar un sistema mixto de impulsión-extracción.
La impulsión provoca la introducción de aire del exterior en la sala, y la extracción es para la
expulsión del aire caliente. Considerando este sistema de renovación de aire, existe una
depresión provocada por los extractores y una sobre presión provocada por los impulsores o
ventiladores. Para que la instalación dé resultado, los impulsores deben de dar más aire del
que desalojan los extractores, estimándose en un 20% más.
Pág. 40 Diseño de una sala de pruebas para motores alternativos de combustión interna
5.1 Impulsión de aire
El objetivo es escoger un ventilador que aporte el caudal necesario para realizar la
ventilación de la sala y que pueda vencer las pérdidas de carga a lo largo de la conducción.
5.1.1 Cálculo del caudal
El caudal, tal y como se determinó anteriormente, ha de ser de 22.501 m3/h. Al ser
necesario que el impulsor tenga un 20% más de caudal que el extractor, tenemos que:
hmhmhmQQQ extextimp /000.27/501.22%20/501.22%20 333 =+=+=
5.1.2 Cálculo de las pérdidas de carga
Puede resultar necesario realizar un estudio de las pérdidas de carga a fin de
determinar la pérdida de caudal que éstas puedan provocar. Un aumento de la presión estática
(fuerza por unidad de superficie que ejerce el aire sobre las paredes de las tuberías) provoca
una disminución del caudal del aire, cuestión a tener en consideración en el dimensionado del
impulsor / extractor.
En el caso en estudio y puesto que únicamente hay un tramo recto de 300mm de
conducción de aire desde el exterior hasta la sala de pruebas (ver el apartado “A.2 Acotación”
en el Anexo “A. PLANOS Y ESQUEMAS”), se puede despreciar las pérdidas por
insignificantes.
5.1.3 Elección del impulsor
En función de la trayectoria del fluido, los ventiladores se pueden clasificar en tres: de
flujo radial, de flujo semiaxial y de flujo axial. Los más apropiados para las salas de pruebas
son los últimos, especialmente en aquellas en las que la a través de los conductos de entrada
hay una presión estática pequeña (menores a 25mm de c.a.).
Diseño de una sala de pruebas para motores alternativos de combustión interna Pág. 41
En el apartado “C.1 Impulsor de aire” del Anexo “C. CATÁLOGOS Y MANUALES”
se puede observar el impulsor elegido para la sala de ensayos en estudio (modelo Sodeca
HCT-71-4T-4).
5.2 Extracción de aire
De la misma manera que en el caso del impulsor, es necesaria la elección de un
extractor que sea capaz de extraer el aire caliente existente en la sala de pruebas y de vencer
las pérdidas en los conductos.
5.2.1 Cálculo del caudal
Tal y como se ha visto en el apartado “5. RENOVACIÓN DE AIRE EN LA SALA DE
PRUEBAS”, el caudal del extractor ha de ser de 22.501 m3/h.
5.2.2 Cálculo de las pérdidas de carga
Una vez dimensionada la instalación (ver el apartado “A.3 Alzado. Vista A“ en el
Anexo “A. PLANOS Y ESQUEMAS”), es necesario realizar el cálculo de las pérdidas de carga
en las conducciones, según el método de las longitudes equivalentes, consistente en la
traducción a metros lineales de conducto de los diferentes accesorios de la instalación que,
sumados a los tramos rectos, da como resultado la longitud total a considerar para hallar las
pérdidas de carga globales en la instalación.
- Dimensionado de los tramos rectos: se considera una pérdida de carga (h) máxima
de 0,15mm de columna de agua por metro lineal.
o Tramo (l) de 3.100mm
o Caudal (Q) de 22.501 m3/h
o Diámetro (Φ) de 710mm
o Velocidad del aire (v) de 16m/s
Pág. 42 Diseño de una sala de pruebas para motores alternativos de combustión interna
o Pérdida de carga (hL1) de 0,465mm c.d.a. (h=0,15·l)
- Pérdida de carga lineal en el codo a 90º.
o Diámetro (Φ) de 710mm
o Radio igual a 2d
o Longitud equivalente (l) de 7,1m lineales
o Pérdida de carga (hL2) de 1,065mm c.d.a. (h=0,15·l)
Con esto, tenemos que la pérdida de carga total es:
...530,1...065,1...465,0)( 21 adcmmadcmmadcmmhhH LLTOTALL =+=+=
Como era de esperar, y debido al tipo de instalación realizada para la renovación de
aire de la sala de pruebas, la pérdida de carga total del sistema de extracción de aire es
mínima, por lo que también para la extracción de aire se utilizará un ventilador de tipo axial.
5.2.3 Elección del extractor
En el Anexo “C. CATÁLOGOS Y MANUALES”, apartado “C.2 Extractor de aire”, se
puede observar el extractor elegido para la sala de ensayos en estudio (modelo Sodeca HCT-
71-4T-3).
R
Φ
Diseño de una sala de pruebas para motores alternativos de combustión interna Pág. 43
6. SENSORES EN EL BANCO DE PRUEBAS
Un sensor es un dispositivo que detecta una señal (medio mediante el cual se
comunica la información). Para que las señales que interesa medir en la sala de pruebas sean
procesadas por un sistema electrónico, deben convertirse primero en una señal eléctrica
analógica (en modo de tensión, corriente o impedacia, de las que se procesa su valor,
frecuencia, pulsos, flancos,…) o en señal eléctrica digital (señal binaria). Este proceso de
conversión se lleva a cabo mediante dispositivos conocidos como transductores. Existe una
gran variedad de transductores, cada uno de ellos adecuado para una de las distintas formas de
las señales físicas. Los parámetros más representativos del motor en pruebas son: el par
motor, el régimen de giro y su consumo (se conoce su valor mediante medición directa) y su
potencia (hallada mediante un sencillo cálculo). A continuación se explica cada uno de ellos,
así como también se detalla en los siguientes apartados los diferentes tipos de sensores
utilizados en los bancos de pruebas.
El par motor representa la capacidad del motor para producir trabajo. Las explosiones
en la cámara de combustión empujan el pistón hacia abajo, y su movimiento alternativo se
convierte en giros del cigüeñal. Aquí se puede medir la fuerza del motor como un par de
torsión. Se mide en N/m (o en kp/m) y, teóricamente, expresa la fuerza de torsión que
tendríamos en el extremo de un brazo de palanca aplicado al motor que midiera un metro de
longitud. El par depende del régimen de giro, pues la fuerza de las explosiones depende del
llenado de la cámara de combustión. Según el motor, existe un régimen determinado al que se
obtiene el par máximo. Y con el par producido por el motor a cada régimen se determina la
llamada curva de par. Como la potencia es cantidad de trabajo por unidad de tiempo, si
sabemos el par motor de un vehículo y las revoluciones por minuto a las que consigue
alcanzar ese par (realizar ese trabajo) sabemos la potencia que alcanzará en ese régimen de
giro.
La potencia es el producto del par por la velocidad angular del motor. Representa la
energía por unidad de tiempo que es capaz de desarrollar el motor. La potencia de un motor se
mide en kW según la norma de homologación UE, o en CV, según la norma DIN; es el
resultado de multiplicar el par motor por el número de revoluciones. El punto de potencia
máxima se encuentra siempre por encima del punto de par máximo: a partir de este punto, la
Pág. 44 Diseño de una sala de pruebas para motores alternativos de combustión interna
degradación de los ciclos es compensada por el incremento de ciclos por unidad de tiempo,
hasta llegar al punto de potencia máxima.
El consumo específico representa la eficiencia con la que se hace la conversión de
energía calorífica en energía mecánica. Es la cantidad de combustible que necesita un motor
para suministrar una determinada unidad de potencia por unidad de tiempo. Es una forma de
expresar el rendimiento del motor, en el sentido que relaciona consumo con prestaciones.
Cuanto menor sea el consumo específico de un motor, mejor es su rendimiento.
Por lo que hace referencia a las diversas magnitudes del motor, a continuación se
detallan los dispositivos más utilizados para la medición de las señales físicas tanto de los
motores en prueba como de condiciones atmosféricas.
Diseño de una sala de pruebas para motores alternativos de combustión interna Pág. 45
6.1 Célula de carga
Antiguamente, en los frenos dinamométricos se realizaba la medición del par
mecánicamente mediante una báscula. En la actualidad se ha sustituido este sistema por los
transductores de fuerza, de los que el más utilizado es la célula de carga (como el de la
“Figura 6.1”). Ésta está formada por unas galgas extensiométricas que, mediante una
deformación elástica generan, debido a la variación de su resistencia, una tensión variable en
dos de sus extremos función de la carga soportada. Los transductores de fuerza actuales son
mucho más precisos de los utilizados con anterioridad, basados en balanzas, y permiten
computerizar los valores instantáneos medidos, si bien tienen un tiempo finito de vida.
Figura 6.1– Célula de carga
Pág. 46 Diseño de una sala de pruebas para motores alternativos de combustión interna
Las variaciones de resistencia de la galga se miden mediante un puente de
Wheatstone: si se aplica una tensión eléctrica constante entre los puntos 2 y 3, las variaciones
de la tensión entre 1 y 4 dependen de las variaciones de resistencia de las galgas (tal y como
se puede ver en la “Figura 6.2”). La tensión de salida (Vs) es de bajo nivel, por lo que resulta
necesario amplificarla.
La calibración de la medida del par se realiza mediante dos “brazos de calibración”
que son fijados a la carcasa del freno (posiciones ‘1’ y ‘2’ de la “Figura 6.3”). Los brazos de
calibración llevan marcados su longitud efectiva y disponen de un par de aros que permiten
colocar una serie de masas de calibración (se puede ver como ‘peso aplicado’ en la “Figura
6.3)”. Los aros suelen estar colocados a la distancia precisa para que la colocación de una
masa de ‘x’ kg, tras realizar el producto de dicho valor por la distancia al eje y la constante de
gravedad ‘g’, represente un valor de par que sea un número entero (básicamente para poder
redondear el valor de ‘g’ a 10m/s2 sin que esto suponga un error en el cálculo del par).
ee
e
VRRV
RRRV
VV
quetenemosRRRyRRRR
osconsideramSi
·4
·24
2
:
:
4
1
3142
∆≅
∆+∆
=
=
∆+====
Figura 6.2– Principio eléctrico de una célula de carga
Figura 6.3– Elementos necesarios para la calibración del par
Diseño de una sala de pruebas para motores alternativos de combustión interna Pág. 47
Para realizar una correcta calibración hay que proceder de la siguiente manera:
- El freno no debe de estar acoplado al motor.
- Debe encenderse el sistema de agua de refrigeración para poder ajustar correctamente
el cero (situación normal sin carga del motor).
- Se han de ir añadiendo los pesos de calibración hasta, aproximadamente, conseguir el
fondo de escala del freno. Si es necesario, se ajustará el valor leído al valor teórico de
par correspondiente. Se anota la lectura del par leído.
- Se retiran los pesos de calibración y se verifica el ajuste del cero. Se anota la lectura
del valor leído.
- Se añaden las pesas de nuevo, esta vez tomando nota de entre ocho y diez valores
intermedios de par.
En la “Tabla 6.1” se muestra un ejemplo del procedimiento de calibración para un
freno con fondo de escala de 2.000Nm:
Masa Par Aplicado Lectura Error Error Error
[kg] [Nm] [Nm] [Nm] [% lectura] [% F.E.]
0 0,0 0,0 0,0 0,000 0,000
10 100,0 99,5 0,5 0,500 0,071
30 300,0 299,0 1,0 0,333 0,143
50 500,0 500,0 0,0 0,000 0,000
70 700,0 700,0 0,0 0,000 0,000
60 600,0 600,5 -0,5 -0,083 -0,071
40 400,0 400,5 -0,5 -0,125 -0,071
20 200,0 200,0 0,0 0,000 0,000
0 0,0 0,0 0,0 0,000 0,000
La célula de carga se considera correctamente calibrada si no se obtienen errores
superiores a ±0.25% del fondo de escala.
Tabla 6.1– Ejemplo de calibración del par
Pág. 48 Diseño de una sala de pruebas para motores alternativos de combustión interna
6.2 Tacómetro
Otro parámetro cuya medición resulta imprescindible es la velocidad de giro del
motor. Para ello se utilizan diferentes tipos de sensores incorporados habitualmente al freno.
Los tacómetros más típicos son del tipo electromagnético analógico (generadores de CA, de
CC, de corrientes parásitas) y digitales (basados en impulsos ópticos o eléctricos utilizando la
generación de la chispa del motor, la lectura del paso de los dientes del volante,…).
6.2.1 Electromagnéticos
También conocido como ‘pick-up’, se trata del tacómetro más utilizado debido a su
precisión en la lectura y su bajo coste. Está compuesto por una rueda dentada y el propio
medidor, tal y como se puede ver en la ”Figura 6.4”:
Su principio de funcionamiento es muy sencillo: el detector emite un haz de luz
contra la rueda dentada del freno y genera una señal formada por un pulso cada vez que
detecta el paso por uno de los dientes de dicha rueda. Una vez conocida la frecuencia y el
número de dientes de la rueda, se hace el cálculo de la velocidad angular del freno. En el caso
Figura 6.4– Captador de r.p.m.
Diseño de una sala de pruebas para motores alternativos de combustión interna Pág. 49
de que el motor y el freno tengan una transmisión directa, el valor de rpm del freno se
corresponde también con el del motor. Si la transmisión no es directa, habrá que multiplicar
por la relación de transmisión de estos dos elementos para conocer el régimen de giro del
motor en prueba. La siguiente ecuación (Ec. 6.1) permite el cálculo del régimen de giro del
freno:
ruedaladedientesdenúmeronHzfrecuenciaf
Ecgiroderégimenrpmdonde
nfrpm
:][:
)1.6.(:,
60·=
6.2.2 Ópticos
Los tacómetros ópticos (encoder) son dispositivos que convierten la posición angular
mecánica en una señal eléctrica. Tal y como puede observarse en la “Figura 6.5”, están
compuestos por un disco rotativo con unas perforaciones determinadas, un haz luminoso
(habitualmente uno o más LED’s) y un sensor fotoeléctrico.
Figura 6.5– Encoder
Pág. 50 Diseño de una sala de pruebas para motores alternativos de combustión interna
El disco está constituido por una serie de sectores opacos y transparentes de forma
alternativa; éstos, al ir rotando, interrumpen el flujo luminoso directo al foto receptor,
generando un tren de impulsos digitales.
La principal ventaja con respecto a los sensores del tipo pick-up es que, además de
tener la lectura de la velocidad angular, permiten conocer el sentido de giro (encoder óptico
incremental de dos canales) y su posición (encoger óptico absoluto).
Diseño de una sala de pruebas para motores alternativos de combustión interna Pág. 51
6.3 Medidores de temperatura
Dos son los tipos más comunes de sondas para la medición de la temperatura, y se
diferencian principalmente en el tipo de señal analógica que procesan. Los primeros tienen su
principio de funcionamiento en la variación de la resistencia provocada por la variación de la
temperatura, mientras que los segundos miden la temperatura en función de la variación de
una tensión eléctrica. A continuación se detalla más en profundidad el funcionamiento de
cada uno de ellos.
6.3.1 Termómetros de resistencia
Se basan en la propiedad física que presentan los conductores eléctricos de modificar
el valor de su resistencia eléctrica con la temperatura. Podemos diferenciar entre dos tipos:
a) RTD’s (Resistance Temperature Detectors)
El cambio en la resistencia con la temperatura viene dado por la siguiente
ecuación (Ec. 6.2):
aresistencidetérmiescoeficientTatemperaturlaaaresistencidereferenciaR
EcatemperaturdereferenciaTdonde
TTTTTTR
R
n
nn
o
cos:...,:
)2.6.(:,
)(...)()(
21
00
0
02
0201
γγγ
γγγ −++−+−=∆
Aprovechando esta propiedad se construyen sondas analógicas de temperatura,
utilizando metales como el cobre y el níquel. Los RTD’s más utilizados son los de
platino, al ser el más estable de los metales, resistente a la contaminación y a la
corrosión y capaz de trabajar en un amplio rango de temperaturas; dichas sondas
tienen un valor nominal de 100Ω a 0° C, de donde se deriva su nombre de Pt100. Las
Pág. 52 Diseño de una sala de pruebas para motores alternativos de combustión interna
sondas Pt100 son aptas para un rango de temperaturas entre -250° C y 850°C, teniendo
muy buena linealidad entre -200° C y 500° C. La sensibilidad es de 0,390 Ω/ºC.
En la “Figura 6.6” se puede ver la respuesta con la temperatura de las
diferentes tipologías de RTD’s:
b) Termistores
Se trata de detectores de temperatura resistivos fabricados con materiales
semiconductores, como el óxido de níquel, el aluminio o el cobre. La relación
resistencia-temperatura viene dada por la siguiente ecuación (Ec. 6.3):
KenabsolutaatemperaturKmaterialdelcte
referenciadeatemperaturlaatermistordelaresistenciREcatemperaturlaatermistordelaresistenciR
dondeeRR
:,)50003000(.:
:)3.6.(:
,·
0
00
)11(0
0
ϑϑβ
ϑϑ
ϑϑβ
÷
=−
Figura 6.6– Respuesta de diversas RTD’s
Diseño de una sala de pruebas para motores alternativos de combustión interna Pág. 53
Como se puede ver en la ecuación (Ec. 6.3), la resistencia de un termistor
decrece exponencialmente con el incremento de la temperatura, lo que se traduce en la
gráfica de la “Figura 6.7”:
Los termistores tienen una sensibilidad mucho mayor que las RTD’s, lo que se
traduce en una mayor precisión y resolución en la medida de las temperaturas. La
sensibilidad en los termistores responde a la ecuación (Ec. 6.4):
)4.6.(2 EcTR
RS
ϑβ−
=∆
∆=
Figura 6.7– Curva característica de los termistores
Pág. 54 Diseño de una sala de pruebas para motores alternativos de combustión interna
En la “Figura 6.8”, se puede ver una comparativa entre las RTD’s y los
termistores. Estos últimos pueden ser de menores dimensiones, consiguiendo así una
velocidad de respuesta mayor. Por contra, la salida no es lineal y tienen un rango
limitado de trabajo.
Figura 6.8– Comparativa RTD’s y termistores
Diseño de una sala de pruebas para motores alternativos de combustión interna Pág. 55
6.3.2 Termopares
Se trata de sensores activos analógicos basados en el efecto Seebeck. Este efecto
consiste en la aparición de una tensión eléctrica entre dos alambres de metales diferentes
unidos por un extremo cuando éste se calienta (unión caliente) y se mantiene los otros dos a
una misma temperatura inferior (unión fría), siendo la tensión producida directamente
proporcional a dicha diferencia de temperaturas. En la “Figura 6.9” se muestra cómo funciona
un termopar.
El efecto Seebeck responde a la siguiente ecuación (Ec. 6.5):
)5.6.()·(· 21 EcTTTE ABABAB −=∆= αα
donde:
sconductorelosdeunioneslasenexistequeastemperaturdediferencialaesTgeometríaladenoymaterialeslosdeDependeSeebeckecoeficient
rastemoperatudegradientedeluenciaconcomoaparecequerizelectromotfuerzaE
AB
AB
:.:
sec:
∆α
Limitaciones de los termopares:
1. La temperatura máxima de trabajo debe de ser inferior a la de fusión, por lo que es
necesario elegir el termopar adecuándose al rango de temperaturas.
Figura 6.9– Principio de funcionamiento de los termopares
Pág. 56 Diseño de una sala de pruebas para motores alternativos de combustión interna
2. Sensibilidad pequeña, del orden de 6÷75 µV/º C en función de los materiales. La
magnitud de la diferencia de voltaje que resulta del efecto Seebeck es bastante
pequeña (del orden de milivoltios) lo que requiere amplificadores de gran resolución y
bajo ruido.
Ventajas de los termopares:
1. Amplio rango de medidas, entre -270º C y 2000º C.
2. Coste menor que las termo resistencias.
En la “Figura 6.10” se puede observar las diferentes tipologías de termopares y su
respuesta a la temperatura.
Figura 6.10– Curvas de diferentes termopares
Diseño de una sala de pruebas para motores alternativos de combustión interna Pág. 57
6.4 Medidores de presión
Los transductores de presión son dispositivos que convierten una presión aplicada en
una señal eléctrica mediante la medida de un desplazamiento, un esfuerzo o una respuesta
piezoeléctrica.
6.4.1 Por desplazamiento
Este tipo de transductores convierte el cambio de presión en un cambio de posición
proporcional en uno de los extremos de un elemento elástico, que se desplaza al producirse
una deformación, hasta que las tensiones internas del material igualen la presión aplicada. El
comportamiento elástico del material provoca el retorno del dispositivo a su forma original
una vez desaparece el esfuerzo que produjo la deformación, a menos que el esfuerzo sea tan
grande que sobrepase el coeficiente de elasticidad del material y la deformación se vuelva
permanente.
6.4.2 Por diafragma
Este segundo tipo de transductor de presión utiliza un diafragma como elemento
elástico y unas galgas extensiométricas para convertir la deformación en señal eléctrica.
6.4.3 Piezoeléctrico
Este tipo de transductor de presión utiliza un cristal piezoeléctrico como elemento
elástico en el sensor (el más utilizado es el de cuarzo, por tratarse de un material con un alto
módulo de elasticidad, gran linealidad y muy poca histéresis).
En este tipo de sensores, el cristal de cuarzo está protegido por una carcasa cilíndrica
que dispone de un fino transmisor de presión por diafragma en uno de sus extremos. Cuando
la presión se aplica (a través del diafragma) sobre el cristal piezoeléctrico, se genera una señal
Pág. 58 Diseño de una sala de pruebas para motores alternativos de combustión interna
en forma de carga eléctrica que es función, además de las propiedades físicas del propio
cristal, de la propia presión. En la “Figura 6.11” se puede ver un detalle de un transductor de
presión del tipo piezoeléctrico:
La principal ventaja de este tipo de transductores es que pueden trabajar con fluidos a
alta temperatura (alrededor de los 350º o incluso mayores en caso de que lleven algún sistema
de refrigeración) y con un rango de presiones superiores a los 6 kbar.
6.5 Medidores de combustible
Los medidores de combustible permiten conocer el consumo horario de carburante
(l/h), siendo éste útil para verificar el correcto funcionamiento del motor, determinar su
comportamiento en diferentes condiciones de trabajo, realizar estudios económicos o
determinar la autonomía del vehículo en función de la capacidad del depósito, entre otros
factores.
Hay dos tipologías de medidores de consumo en función de su principio de
funcionamiento: los volumétricos y los másicos.
Figura 6.11– Sección de un tansductor piezoeléctrico
Diseño de una sala de pruebas para motores alternativos de combustión interna Pág. 59
6.5.1 Método volumétrico
Es el método más sencillo de determinación de consumo de combustible en un banco
de ensayos. Consiste en medir el tiempo necesario para consumir un volumen conocido de
combustible. Por lo tanto, para determinar el consumo del motor bastará con una probeta
graduada en paralelo con el depósito de combustible, una llave que permita conmutar el paso
de uno u otro depósito y un reloj. Esto es posible realizarlo tanto mecánica como
electrónicamente. El problema que presenta este tipo de medidores es que para conocer el
consumo es necesario multiplicar el volumen por la densidad, siendo ésta función de la
temperatura y variable entre diferentes muestras de combustible utilizado. Es por este motivo
por lo que este tipo de ensayos se utiliza en bancos donde no es necesaria la precisión de la
medida. El consumo viene determinado por la siguiente ecuación (Ec. 6.6):
][:][:
)6.6.(]/[:,
·
hprobetaladevaciadodetiempotlprobetaladevolumenV
Eclkgecombustibldeldensidaddonde
hkg
tVm
c
cc
ρ
ρ ⎥⎦⎤
⎢⎣⎡=
6.5.2 Método másico
Este método es utilizado para ensayos de certificación o cuando el banco de pruebas
está destinado a la investigación y desarrollo del motor. Se utiliza el método gravimétrico, es
decir, por pesada. Consiste en medir el tiempo empleado en consumir una masa conocida de
combustible existente en una balanza de precisión. Habitualmente es el propio medidor el que
realiza el pesado del combustible y la determinación del tiempo que tarda en consumirse el
mismo. La principal ventaja de este tipo de medidores es que no su medida no se ve afectada
por las variaciones de temperatura del combustible, que provocan también variaciones en su
densidad.
Pág. 60 Diseño de una sala de pruebas para motores alternativos de combustión interna
El consumo responde a la siguiente ecuación (Ec. 6.7):
][:
][:)7.6.(][:
,
0
0
hprobetaladevaciadodetiempot
kgecombustibldefinalmasaMEckgecombustibldeinicialmasaM
dondeh
kgt
MMm
f
fc ⎥⎦
⎤⎢⎣⎡−
=
Actualmente ya hay medidores que trabajan en continuo, indicando el caudal másico
instantáneo. Este tipo de medidores se llaman gravimétricos dinámicos.
6.6 Analizadores de gases de escape y de partículas
El análisis de los gases de escape generados por un motor se realiza directamente a la
salida de éste, y permite conocer la riqueza a la que trabaja o la calidad de la combustión. No
obstante, cuando el análisis se hace para determinar el impacto ambiental, los gases obtenidos
durante un determinado tiempo y haciendo trabajar al motor en determinadas condiciones se
recogen en una bolsa de la que posteriormente se extraerán muestras para realizar el análisis.
Hay dos aspectos fundamentales a la hora de analizar los gases de escape de un motor,
que son la opacidad y la composición de los propios gases.
6.6.1 Medidor de opacidad de humos
Se utiliza principalmente en los ensayos de motores diesel. Existen diferentes tipos de
analizadores, que básicamente se pueden agrupar en dos en cuanto a funcionamiento. En
Diseño de una sala de pruebas para motores alternativos de combustión interna Pág. 61
ambos casos la lectura de la opacidad se efectúa electrónicamente mediante fotocélulas.
- El método Hartridge compara la absorción óptica en dos tubos provistos de ventanas
de vidrio, por uno de los cuales circula aire que sirve como referencia y por el otro gas
de escape. Se trata de un método de medida continua.
- El método Bosch hace circular un volumen determinado de gases de escape a través de
un papel de filtro, cuyo nivel de ennegrecimiento indica el nivel de humo. En este
caso, se trata de una medición discontinua.
6.6.2 Análisis de contaminantes
A continuación se detallan los principales contaminantes, sus características y las
consecuencias derivadas de su emisión.
- CO2 (Dióxido de Carbono): resultado del proceso de combustión. Es un indicador de
la eficiencia de la combustión: valores bajos indican una mala mezcla o un encendido
defectuoso.
i. Valores: correcto en un rango aproximado de 12% al 15%.
ii. Características: incoloro e inodoro. No es toxico a bajos niveles.
iii. Consecuencias: es el principal responsable del efecto invernadero.
- CO (Monóxido de Carbono): el CO es resultado del proceso de combustión y se forma
siempre que ésta es incompleta.
i. Valores: correcto si está comprendido entre 0,5% y 2%.
ii. Características: tóxico, incoloro e inodoro; es más pesado que el aire.
iii. Consecuencias: ralentiza la oxigenación de la sangre y agrava la
insuficiencia cardiaca; en grandes dosis puede provocar problemas
sensoriales; en un 30% de volumen en el aire, es mortal en 30 minutos.
Pág. 62 Diseño de una sala de pruebas para motores alternativos de combustión interna
- NOx (Óxido de Nitrógeno).
i. Características: incoloro e inodoro. Generados por la reacción del
oxígeno y el nitrógeno del aire del motor bajo el efecto de la
temperatura.
ii. Consecuencias: tóxico, en particular el NO2; producen problemas
respiratorios, tos y dolores de cabeza.
- HC (Hidrocarburos): este parámetro representa los hidrocarburos que salen del motor
sin quemar.
i. Valores: son valores correctos entre 100ppm y 400ppm (partes por
millón).
ii. Características: Se pueden distinguir entre los PAH (HC presentes
sobretodo en la gasolina sin plomo) y los NPAH (derivados nitratos
presentes en los gases de escape en motores diesel).
iii. Consecuencias: Algunos pueden contribuir a la formación del ozono,
mientras que otros son cancerígenos.
- SO2 (Óxidos de Azufre).
i. Características: Emitidos en la combustión de combustibles sólidos y
fuel-oils.
ii. Consecuencias: Provocan problemas respiratorios, olores y participan
en la formación del smog (smoke + fog) y de la lluvia ácida.
- Partículas (humos).
i. Características: Constituidos por partículas de carbono e hidrocarburos.
ii. Consecuencias: Son sospechosos de ser cancerígenos.
- Emisiones de plomo.
i. Características: Presentes en la gasolina normal y en la súper.
ii. Consecuencias: Atacan al sistema nervioso; son particularmente
Diseño de una sala de pruebas para motores alternativos de combustión interna Pág. 63
peligrosos para los niños, ya que pueden perturbar su desarrollo
intelectual.
6.7 Medidores de blow-by
Este tipo de medidores permite determinar las fugas de gases que se pueden producir
entre el émbolo y el cilindro del motor alternativo debido a que la estanqueidad entre estos
elementos no es perfecta. La medición realizada es interesante para conocer el desgaste que se
produce en los elementos del motor, tanto para el desarrollo como para el control del mismo.
6.8 Condiciones ambientales de la sala
Además de las sondas instaladas en el propio motor para conocer y controlar su
comportamiento, resulta necesaria la colocación de sondas para la determinación de las
condiciones ambientales de la sala. En concreto, es necesario controlar la humedad relativa, la
presión atmosférica y la temperatura ambiente debido a que los valores de par y potencia
leídos para el motor en prueba son diferentes en función de dichas condiciones ambientales.
Para hacer repetibles los ensayos, se han establecido normas de medición.
El aire es una masa gaseosa compuesta de diversos gases, principalmente oxígeno
(21%), nitrógeno (78%) y vapor de agua disuelto en el aire (determina la humedad). Cuanto
mayor sea la cantidad de oxígeno utilizada para quemar el combustible, más energía generada,
con lo que se obtiene mayor par y se puede lograr también mayor potencia.
Una vez vista la relevancia de la cantidad de oxígeno en el aire en los motores
alternativos de combustión interna, es necesario ver como afectan las condiciones de la sala a
dicha concentración. A mayor temperatura ambiente el aire es menos denso, de manera
similar a lo que sucede para presiones bajas. En este caso, se obtienen menores valores de par
y de potencia. Sucede lo mismo cuanto mayor sea la humedad relativa de la sala.
Para salvar estos inconvenientes se han establecido condiciones estándar de referencia
Pág. 64 Diseño de una sala de pruebas para motores alternativos de combustión interna
que especifican presión, temperatura y humedad a las que deben referirse todas las
mediciones en los motores. Los factores de corrección son valores referidos a las condiciones
ambientales estándar que, aplicados a las mediciones de ensayo, los refieren a condiciones
estándar, haciéndolos comparables con otras mediciones también corregidas. De esta manera
es posible comparar valores obtenidos con condiciones climáticas y geográficas diferentes.
Diversas organizaciones de estandarización determinan métodos para estimar el par y
la potencia del motor bajo diferentes condiciones ambientales. Las organizaciones más
conocidas son:
- ISO (International Standards Organization), en todo el mundo.
- DIN (Deutsche Industrie Norm), Alemania.
- CEE (Comunidad Europea), Europa.
- SAE (Society of Automotive Engineers), EE.UU.
- JIS (Japanese Institute for Standardization), Japón
Los factores de corrección más habituales son:
...333,1·985·8,1
293273
·760
º
º
mmHg
C
C
mmHg
PT
CEECorrección
TP
DINCorrección
+=
+=
6.8.1 Temperatura ambiente
El volumen del aire aumenta con el incremento de temperatura (considerando que la
presión permanece constante) de acuerdo a la ley de los gases ideales, haciéndose menos
denso. Por consiguiente, el aire contiene menos moléculas de oxígeno en el mismo volumen
(a altas temperaturas), provocando una disminución en la potencia. En caso contrario, es
decir, si la temperatura ambiente disminuye, aumenta la potencia.
Es suficiente con utilizar una de las sondas de temperatura vistas con anterioridad
Diseño de una sala de pruebas para motores alternativos de combustión interna Pág. 65
(apartado “6.3 Medidores de temperatura”), con un rango aproximado de -20º C ÷ 100º C.
6.8.2 Presión atmosférica
Una baja presión atmosférica reduce la densidad del aire, lo que provoca una
disminución en la cantidad de oxígeno del aire que entra en el cilindro cada ciclo, lo que
provoca una disminución de la potencia del motor. Por el contrario, un aumento en la presión
atmosférica provoca un incremento de la potencia.
Para tener una lectura de dicha presión, se puede utilizar un transductor de presión
(apartado “6.4 Medidores de presión”). Habitualmente tienen una escala de 0mbar ÷
1100mbar.
6.8.3 Humedad relativa
La humedad relativa consiste en la relación entre la presión parcial del vapor de agua
existente en el gas de que se trate y la presión de saturación del vapor, a una temperatura
dada. La determinación de la humedad relativa es importante en las salas de ensayos ya que el
comportamiento del motor será función del grado de humedad: en caso de tener una baja
humedad del aire (baja concentración de vapor de agua) hay más cantidad de oxígeno y esto
incrementa la potencia del motor. En caso contrario, con una humedad del aire superior, la
potencia decrece.
El instrumento que sirve para medir el grado de humedad del aire se llama higrómetro.
Actúa mediante sensores que perciben e indican su variación. Si bien los hay de diferente
principio de funcionamiento (sensor por desplazamiento, sensor de bloque de polímero
resistivo,…), el más utilizado en las salas de ensayos debido a su reducido tamaño, precisión,
sensibilidad, velocidad de respuesta y repetitividad en sus mediciones se trata del sensor
capacitivo. Está formado por materiales dieléctricos que absorben o eliminan vapor de agua
del ambiente con los cambios de nivel de humedad. Los cambios resultantes en la constante
dieléctrica causan una variación en el valor de la capacidad del dispositivo, con lo que se tiene
una impedancia que es función de la humedad.
Diseño de una sala de pruebas para motores alternativos de combustión interna Pág. 67
7. CIRCUITO DE GASOIL
7.1 Almacenamiento
El sistema más utilizado para el almacenamiento de combustible para el motor en
pruebas es el de un bidón rectangular, puesto que permite un mejor aprovechamiento del
espacio con respecto al tanque cilíndrico. Éste puede ser único o no, puesto que en
instalaciones específicas puede ser interesante disponer de varios de ellos con combustibles
diferentes, alimentar al motor a probar con el que se desee y hacer medidas de consumo y
temperatura.
En la “Figura 7.1” se puede observar la tipología de depósito más utilizada. Se trata de
un depósito de gasoil de doble cuerpo, con una cara exterior que da robustez y seguridad al
depósito interior, que es el que almacena el gasoil.
Figura 7.1– Detalle de un depósito de gasoil
Pág. 68 Diseño de una sala de pruebas para motores alternativos de combustión interna
7.2 Alimentación de combustible
En el circuito de gasoil hay que tener en cuenta los siguientes puntos:
- Cada línea de combustible que entra en la sala debe ir provista de una válvula
automática conectada al sistema de alarmas para que, en caso de que ésta salte, se deje
de alimentar el motor.
- Considerar la necesidad de instalar diversos circuitos de combustible. Es necesario
disponer de un buen sistema para el vaciado de los circuitos a la hora de cambiar el
tipo de combustible, puesto que en caso contrario podrían quedar impurezas. Para
minimizar este riesgo es necesario que el circuito común esté lo más próximo posible
al motor.
- Disponer en un mismo cuadro las válvulas para la selección del combustible a utilizar.
- Es interesante disponer de un medidor de nivel en cada uno de los depósitos para
poder prever las recargas.
- La velocidad del combustible debe ser, aproximadamente, de 0.2 m/s.
Para el caso que nos ocupa (motor de 290 kW) y, refiriéndonos de nuevo a la “Tabla
5.1”, calculamos la circulación necesaria de combustible:
hlkg
mkWh
gkWQ
kWhgckWH
mkg
w
esp
L
w
/6,89880
·272·290
/272290
/880
3
3
==
===ρ
Para realizar la selección del depósito de gasoil es necesario hacer un cálculo de la
autonomía a plena carga. En caso de disponer de un depósito de 700 litros, un depósito lleno
duraría aproximadamente 8 horas. Para los depósitos de 1000 litros, la autonomía sería de
poco más de 11 horas. Con estos cálculos, vemos que es suficiente para el banco de ensayos
en estudio un depósito de 700 litros. Su autonomía será mayor a las 8 horas por tratarse éste
de un cálculo a plena carga, y estas condiciones de trabajo suelen ser puntuales y de corta
duración.
Diseño de una sala de pruebas para motores alternativos de combustión interna Pág. 69
En el apartado “C.4 Depósito de combustible” del Anexo “C. CATÁLOGOS Y
MANUALES” se pueden ver un catálogo de depósitos de gasoil de la firma Schütz, que
garantiza su fabricación de acuerdo a la norma U.N.E.-53.432-92 sobre los depósitos para el
almacenamiento de productos petrolíferos líquidos con punto de inflamación superior a 55º C
(la temperatura de inflamación del gasoil es de 65º C).
Diseño de una sala de pruebas para motores alternativos de combustión interna Pág. 71
8. GASES DE ESCAPE
El sistema de extracción de los gases de escape es uno de los puntos críticos en el
diseño de la sala de ensayos y, para evitar posibles accidentes, es conveniente reproducir en lo
posible el sistema que lleva el motor una vez montado en la carrocería del vehículo. Puesto
que los gases de la combustión salen a temperaturas muy elevadas (hasta 800º C) es necesario
que el material que compone la sala sea antideflagrante para evitar incendios. Es importante
que los tubos que evacúan los gases estén a una altura determinada para evitar el riesgo de
quemaduras en caso de contacto con ellos
En cuanto a la extracción de los gases de la sala lo más habitual es direccionarlos hacia
la zona superior para, o bien expulsarlos fuera de la sala tal y como se puede ver en la “Figura
8.1” (figura (a) con escape directo y figura (b) con extracción forzada), o bien llevarlos hasta
un conducto general de la nave (si lo hubiera) donde se canalizan los gases producidos en
diferentes bancos hacia el exterior (figura (c)). Previo a cualquiera de las dos alternativas, los
gases de escape se hacen circular por un silenciador (colocado habitualmente en el techo de la
sala). En el silenciador, los gases se meten en una cámara cubierta de material absorbente de
ruido, que es reducido unos 38dB.
Figura 8.1– Sistemas de extracción de los gases de escape
Diseño de una sala de pruebas para motores alternativos de combustión interna Pág. 73
9. AIRE PARA LA ADMISIÓN
Como se ha visto en el apartado ”6.8 Condiciones ambientales de la sala”, las
variaciones en magnitudes como la presión, temperatura, humedad y pureza del aire para la
combustión provocan grandes cambios en el comportamiento del motor. Es por ello por lo
que lo ideal sería poder realizar las pruebas en los motores con unas condiciones ambientales
controladas (condiciones estándar de presión (1bar), temperatura (25º C) y humedad (30%)),
pero en la práctica esto no es posible debido al gran coste que ello supone (mayor cuanta más
precisión sea necesaria).
En los bancos de ensayos de producción, los cambios en las condiciones ambientales
no son importantes, pero sí que es necesario hacer una posterior corrección de los resultados
obtenidos y referenciarlos a condiciones normales. Sin embargo, en las salas de pruebas
destinadas a la investigación y desarrollo si que es conveniente, siempre y cuando sea posible,
que el aire de admisión se encuentre en unas condiciones estables y lo más próximas posible a
las condiciones normales (al menos de temperatura y humedad).
El sistema más simple de admisión de aire es aquél en que el motor lo toma
directamente de la sala de ensayos (utilizado habitualmente en los bancos de producción). La
desventaja de este sistema es que se pueden producir variaciones incontroladas de la
temperatura ambiente, por lo que resulta necesaria realizar la corrección de los valores de par
y potencia del motor.
Principalmente en las salas destinadas a la investigación y el desarrollo estos
inconvenientes se solventan alimentando al motor con una toma de aire independiente a la
sala. Éste se toma del exterior y, tras tratarlo convenientemente, se coloca en la entrada del
motor. Con este sistema de acondicionamiento (mediante una unidad de tratamiento de aire)
se consigue imponer y regular las condiciones climáticas del aire de admisión para realizar las
pruebas en condiciones estándares, puesto que lo que está en estudio son pequeñas
variaciones que se producen en el motor a ensayar siempre en las mismas condiciones. Los
sistemas de climatización de las salas de ensayos son muy voluminosos, por lo que
habitualmente se montan en el techo de la sala. Estos sistemas permiten controlar la
temperatura del aire de admisión (normalmente entre 20º÷25º C) con una precisión de ±1º C.
Pág. 74 Diseño de una sala de pruebas para motores alternativos de combustión interna
El sistema de climatización esta compuesto por los siguientes elementos:
- Filtro.
- Entrada de aire con ventana y filtro.
- Calentador, que puede ser eléctrico o mediante agua caliente.
- Humidificador (con inyector de vapor).
- Refrigerador alimentado por agua.
En la “Figura 9.1” se muestra un esquema con la distribución de estos elementos.
El aire proveniente del exterior, pasa por unos filtros con el fin de eliminar cualquier
impureza que pueda contener.
Como se puede observar, la unidad de tratamiento de aire dispone de un
humidificador, un refrigerador y de dos calentadores. El primer calentador es necesario
cuando se precisa humidificar aire frío seco, puesto que si se inyecta el vapor directamente
satura y se deposita la humedad en el conducto. El segundo calentador es necesario, puesto
que habitualmente hay que enfriar el aire a una temperatura inferior a la deseada con el fin de
reducir la humedad (mediante el refrigerador).
Los sistemas de climatización de la sala son muy caros y tienen un consumo elevado,
por lo que se utilizarán en aquellas salas en las que su uso esté realmente justificado.
Figura 9.1– Unidad de tratamiento de aire
Diseño de una sala de pruebas para motores alternativos de combustión interna Pág. 75
10. IMPACTO AMBIENTAL Y LEGISLACIÓN
El estudio de impacto ambiental (EIA) sirve para prever los impactos del proyecto
sobre el medio. Para ello se realiza un estudio de la situación ambiental antes de ejecutar el
proyecto y la previsible después de su ejecución.
El EIA se trata de una medida preventiva (estudio de pronóstico) que permite definir la
compatibilidad e interacción entre el proyecto y el medio ambiente, con el fin de identificar
los posibles impactos sobre el medio y las medidas correctivas a adoptar en el desarrollo del
proyecto para minimizar las consecuencias que éste pueda provocar.
Para el caso en estudio, y puesto que la actividad no comporta grandes impactos en el
medio, se realiza una evaluación simplificada del mismo.
10.1 Descripción del proyecto
El proyecto en estudio consiste en la instalación de un banco de pruebas de motores
endotérmicos dentro de una nave industrial. Para ello es necesaria la habilitación de una zona
(compuesta por una sala de preparación del motor, una sala de pruebas y una sala de control)
bien delimitada y separada del resto de instalaciones para evitar, básicamente, que los ruidos y
los malos olores que puedan producirse en ella afecten al resto de las dependencias de la nave.
El proyecto consta de las siguientes etapas (puede verse de forma más detallada en el
apartado “14. PLANIFICACIÓN TEMPORAL”):
- Acondicionamiento de la zona.
- Construcción de la cabina insonorizada.
- Montaje del armario de control.
- Instalación de aire acondicionado.
- Instalación de la ventilación de la sala.
Pág. 76 Diseño de una sala de pruebas para motores alternativos de combustión interna
- Instalación eléctrica.
- Instalación hidráulica.
- Instalación de la extracción de gases.
- Colocación de la estructura del polipasto.
- Colocación freno y útiles del motor.
- Preparación del motor.
- Puesta en marcha y verificación.
- Calibración de sondas.
- Curso de formación.
10.2 Descripción del entorno
El banco de pruebas en estudio está ubicado dentro de una nave industrial ya
construida, siendo necesaria la habilitación de dicha zona para evitar que los trabajos que en
ella se realicen afecten al resto de trabajadores. La habilitación consiste básicamente en los
siguientes puntos:
- Insonorización de la cabina donde se va a probar el motor: la contaminación acústica
es el mayor impacto sobre el medio, por lo que resulta del todo necesario insonorizar
la sala de pruebas a fin de reducir el nivel de ruido por debajo de los 70dB.
- Sistema de ventilación que evite que el calor producido por el motor afecte a
dependencias colindantes.
- Sistema de extracción de los gases de escape que permita su evacuación de la nave
industrial: el impacto de los gases en el medio ambiente es mínimo, pues equivale al
de un vehículo en circulación.
Diseño de una sala de pruebas para motores alternativos de combustión interna Pág. 77
10.3 Valoración cualitativa del Estudio de Impacto Ambiental
Para realizar una valoración cualitativa del Estudio de Impacto Ambiental es necesaria
la preparación de una Matriz de Identificación de Efectos, que consiste en determinar cuales
de las acciones del proyecto pueden producir impactos sobre el medio. Para la realización de
esta matriz se han suprimido aquellas etapas detalladas en el apartado “10.1 Descripción del
proyecto” cuyo impacto sobre el medio es completamente despreciable (calibración de las
sondas necesarios y la realización del curso de formación).
Se trata de una matriz de doble entrada donde por columnas se encuentran las acciones
de la actividad que provocan impactos sobre el medio y, por filas, aparecen los factores del
medio susceptibles de recibir impactos (ver “Tabla 10.1”). Si bien se acostumbra a realizar
una Matriz de Impactos para cada fase del proyecto (construcción, funcionamiento y
desmantelamiento), en el caso que nos ocupa se agrupan las dos primeras en una única tabla y
no se tiene en consideración la tercera por no tener prácticamente repercusiones sobre el
medio.
Acciones de la actividad
Aco
ndic
iona
mie
nto
zona
Con
st.c
abin
a in
sono
rizad
a
Inst
. aire
aco
ndic
iona
do
Inst
. ven
tilac
ión
sala
Inst
. ext
racc
ión
gase
s
Ist.
eléc
trica
s
Inst
. hid
rául
ica
Inst
. pol
ipas
to
Mon
taje
arm
ario
con
trol
Col
ocac
ión
fren
o/m
otor
Prep
arac
ión
mot
or
Pues
ta e
n m
arch
a
Rea
lizac
ión
prue
bas
Calidad del aire x x Nivel de ruidos x x x x x x x Contaminación tierra x x x x x x Calidad del agua x x x Infraestructuras x x x Calidad de vida x x x Salud e higiene x x x x Fa
ctor
es d
el m
edio
Nivel de consumo x x x x x x x x x x x x x
Tabla 10.1 – Matriz de Identificación de Efectos
Pág. 78 Diseño de una sala de pruebas para motores alternativos de combustión interna
Una vez desarrollada la Matriz de Identificación de Efectos se desarrolla la Matriz de
Importancia, que permite obtener una valoración cualitativa del impacto ambiental…
La importancia del efecto de una acción sobre un factor ambiental viene representado,
tal y como se expone en el modelo propuesto en la página 91 de la [Ref. 3] “Guía
Metodológica para la Evaluación del Impacto Ambiental”, por un número en función del
valor asignado a los símbolos considerados. La importancia del Impacto se calcula según la
(Ec. 10.1):
[ ]
dadcuperabiliMCadPerioricidPR
EfectoEFnAcumulacióAC
SinergiaSIEcadversibilidRV
aPesistenciPEMomentoMOExtensiónEX
IntensidadIlperjudiciaobeneficiospacto
siendoMCPREFACSIRVPEMOEXII
Re::::
:)1.10.(Re:
:::
:/Im:
,23
±
+++++++++±=
Diseño de una sala de pruebas para motores alternativos de combustión interna Pág. 79
Para completar la Matriz de Importancia es necesario realizar el cálculo de la
Importancia para cada una de las actividades utilizando la ecuación (Ec. 10.1). Usando,
además, los valores de cada uno de los símbolos propuestos en la [Ref. 3] “Guía
Metodológica para la Evaluación del Impacto Ambiental” obtenemos la Matriz de
Importancia de la “Tabla 10.2”:
Aco
ndic
iona
mie
nto
zona
Con
st.c
abin
a in
sono
rizad
a
Inst
. aire
aco
ndic
iona
do
Inst
. ven
tilac
ión
sala
Inst
. ext
racc
ión
gase
s
Ist.
eléc
trica
s
Inst
. hid
rául
ica
Inst
. pol
ipas
to
Mon
taje
arm
ario
con
trol
Col
ocac
ión
fren
o/m
otor
Prep
arac
ión
mot
or
Pues
ta e
n m
arch
a
Rea
lizac
ión
prue
bas
TOTA
L EF
ECTO
Calidad del aire -21 -21 -42
Nivel de ruidos -13 -15 -15 -15 -15 -29 -39 -141
Total aire -13 -15 0 -15 -15 0 0 0 0 0 -15 -50 -60 -183
Contaminación tierra -16 -16 -16 -16 -13 -13 -90
Total tierra -16 -16 0 -16 0 0 0 0 -16 0 0 -13 -13 -90
Calidad del agua -16 -19 -19 -54
Total agua 0 0 0 0 0 0 -16 0 0 0 0 -19 -19 -54
-29 -31 0 -31 -15 0 -16 0 -16 0 -15 -82 -92 -327
-29 -31 0 -31 -15 0 -16 0 -16 0 -15 -82 -92 -327
Infraestructuras -13 -13 -13 -39
Total Infraestructuras 0 0 0 0 0 -13 -13 -13 0 0 0 0 0 -39
Calidad de vida -22 -22 -23 -67
Salud e higiene -22 -22 -22 -23 -89
Total humanos 0 0 0 0 0 0 0 0 0 -22 -44 -44 -46 -156
0 0 0 0 0 -13 -13 -13 0 -22 -44 -44 -46 -195
Nivel de consumo -13 -18 -16 -16 -16 -16 -16 -16 -13 -16 -16 -20 -23 -215
Total consumo -13 -18 -16 -16 -16 -16 -16 -16 -13 -16 -16 -20 -23 -215
-13 -18 -16 -16 -16 -16 -16 -16 -13 -16 -16 -20 -23 -215
-13 -18 -16 -16 -16 -29 -29 -29 -13 -38 -60 -64 -69 -410
-42 -49 -16 -47 -31 -29 -45 -29 -29 -38 -75 -146 -161 -737TOTAL MEDIO AMBIENTE
MED
IO IN
ERTE
Hum
anos
Infr
.
MED
IO
SO
CIO
CU
LTU
RA
L
Impato medio socio-cultural
Aire
Tier
raA
gua
Impacto medio inerte
MED
IO F
ÍSIC
O
TOTAL MEDIO FÍSICO
MED
IO S
OC
IO-E
CO
NÓ
MIC
O
TOTAL MEDIO SOCIO-ECONÓMICO
Econ
omía
Impacto medio económico
MED
IO
ECO
NÓ
MIC
O
Tabla 10.2 – Matriz de Importancia
Pág. 80 Diseño de una sala de pruebas para motores alternativos de combustión interna
10.4 Conclusiones del Estudio de Impacto Ambiental
De la Matriz de Importancia que aparece en la “Tabla 10.2” se puede observar que
todos los impactos pueden ser considerados como compatibles (valor de importancia inferior
a 25) o moderados (valor de importancia comprendidos entre 25 y 50).
También en dicha Matriz se puede observar que las acciones más impactantes sobre el
medio son tanto la puesta en marcha del banco como la realización de las pruebas, que es el
fin último del proyecto en desarrollo. No obstante, hay que destacar que dichos índices de
importancia han sido reducidos considerablemente gracias a la construcción de la sala de
ensayos (se pueden probar los motores en unas condiciones que minimizan el impacto sobre
el medio).
Por otro lado, los factores más afectados son el nivel de ruidos, la calidad de vida y el
nivel de consumo. Si bien el nivel de ruidos es alto (alrededor de 100dB dentro de la sala de
pruebas) el asilamiento acústico de dicha sala evita que las personas que trabajen próximas al
banco puedan llegar a tener problemas. No obstante, es necesario tomar una serie de medidas
de Prevención para aquellos trabajadores que tengan que acceder durante una de las pruebas a
la sala (cascos de protección auditiva, revisiones médicas periódicas,…). El tercero de los
factores resulta inevitable, puesto que la instalación realizada permite obtener un producto de
mayor calidad a cambio de una serie de consumos de agua, electricidad, combustible,…
Diseño de una sala de pruebas para motores alternativos de combustión interna Pág. 81
11. HIGIENE Y SEGURIDAD
Una sala de ensayos es, intrínsecamente, un entorno de trabajo peligroso. Todos los
elementos que la componen deben estar preparados para soportar las condiciones de este
medio: las salas suelen ser ruidosas y calurosas; también hacen de ellas sitios peligrosos para
el trabajo el hecho de tener una serie de tuberías (con agua y combustible) y de cableado
eléctrico (para el control de freno, motor y adquisición de datos de este último), sin olvidarnos
del propio motor y el freno, ambos con superficies a elevadas temperatura y transformando la
energía calorífica en energía mecánica (o a la inversa), con lo que añadimos factores de riesgo
a los de la propia instalación.
Es por todo ello por lo que, durante la realización de las pruebas, ningún operario debe
estar en la sala de ensayos. Cualquier modificación en el motor o comprobaciones en sistemas
auxiliares ha de hacerse con el motor parado. En caso de que la presencia de un operario
resulte del todo imprescindible con el motor en marcha, es aconsejable que un segundo
operario permanezca en la sala de control con el fin de poder detener la ejecución de la prueba
si, por motivos de seguridad, fuera necesario. También el primero podrá detener la prueba
mediante los pulsadores de emergencia situados en puntos estratégicos de la sala.
El hecho de que se trabaje con combustible crea también peligros potenciales de
explosión e incendio, por lo que la sala incorpora un sistema de detección de humos y de
incendios. En caso de que estos sistemas se disparen, provocan el paro completo de todos los
elementos del banco de pruebas.
11.1 Ley de Prevención de Riesgos Laborales
La Ley 31/1995 de Prevención de Riesgos Laborales, en su exposición de motivos,
apartado 4, establece el objetivo común europeo en materia preventiva: "El propósito de
fomentar una auténtica cultura preventiva, mediante la promoción de la mejora de la
educación en dicha materia en todos los niveles educativos, involucra a la sociedad en su
conjunto y constituye uno de los objetivos básicos y de efectos quizás más transcendentes
para el futuro de los perseguidos por la presente Ley". Constituye el marco regulador sobre el
Pág. 82 Diseño de una sala de pruebas para motores alternativos de combustión interna
cual se garantiza un nivel mínimo de protección del trabajador frente a los riesgos derivados
de su actividad. En esta ley se define cómo debe organizarse la prevención dentro de una
empresa, los principios de la acción preventiva y los derechos y obligaciones de las partes
interesadas: trabajadores y empresarios.
11.1.1 Aspectos a controlar en el puesto de trabajo
La Prevención de Riesgos Laborales es el conjunto de actividades o medidas previstas
y adoptadas en todas las fases de actividad de la empresa, con el fin de evitar o disminuir los
riesgos derivados del trabajo. Todo este conjunto de actuaciones, técnicas y métodos se
encuentran en las siguientes disciplinas:
- Seguridad laboral: dirige sus actuaciones a evitar la aparición de accidentes de trabajo.
Fundamenta su actividad en la prevención de riesgos derivados de las condiciones de
seguridad, buscando el origen de dichos riesgos y eliminándolos mediante normas,
diseños y medidas de seguridad.
- Higiene industrial: se centra en el medio ambiente físico en el trabajo y en los
contaminantes químicos y biológicos, buscando la identificación, valoración y
corrección de estos factores de riesgo.
- Ergonomía y psico-sociología aplicada: diseña los medios materiales y los métodos de
trabajo, buscando adaptar el trabajo a las capacidades de las personas que lo realizan
para conseguir la mayor armonía posible entre las condiciones óptimas de confort y la
máxima eficacia productiva.
- Vigilancia de la salud: tiene como objetivo la prevención y protección de la salud de
los trabajadores.
Diseño de una sala de pruebas para motores alternativos de combustión interna Pág. 83
11.1.2 Servicios de prevención
De entre las múltiples obligaciones que la Ley de Prevención de Riesgo Laborales
impone al empresario, destaca la de elaboración, recogida y archivo de toda la documentación
en materia preventiva. Entre las nuevas exigencias de la ley de Prevención de Riesgo
Laborales, destaca la marcada en su artículo 23, en el que destaca la obligación del empresario
de elaborar y conservar la documentación relativa a las obligaciones establecidas por ella.
Según el mencionado artículo esta documentación deberá estar actualizada, por lo que deberá
ampliarla para incluir la nueva sala de ensayos de una de las siguientes maneras:
a) Mediante un servicio de prevención propio: cuando para la realización de las
actividades de prevención es insuficiente la designación de uno o varios empleados; o
bien porque el tamaño de la empresa, los riesgos existentes o la peligrosidad de las
actividades lo aconsejan.
b) Mediante el servicio de prevención prestado por una entidad ajena, cuando en una
empresa la designación de uno o varios empleados sea insuficiente para la realización
de las actividades de prevención; o cuando por Ley no tenga obligación de crear un
servicio de prevención propio.
En el Anexo “D. PLAN DE SEGURIDAD Y SALUD” se detalla el Plan de Seguridad y
Salud para la ejecución de la obra de construcción de la sala de pruebas de motores. En él
aparecen cada uno de los riesgos existentes en las actividades de montaje y las medidas a
adoptar para minimizar el riego de que se produzcan accidentes o, en caso de no ser posible
evitarlos, minimizar sus consecuencias.
11.1.3 Referencias al diseño de la sala
Además del servicio de prevención que deberá crearse tras la instalación y puesta en
marcha del banco de pruebas, tres son los aspectos que, basándonos en la propia Ley de
Prevención de Riesgos Laborales, hay que tener en cuenta a la hora de hacer el diseño de la
sala: la correcta iluminación, la insonorización de la sala de pruebas y la renovación de aire.
Pág. 84 Diseño de una sala de pruebas para motores alternativos de combustión interna
Este último aspecto se ha analizado en los puntos “5. RENOVACIÓN DE AIRE EN LA SALA
DE PRUEBAS” y “8. GASES DE ESCAPE” de esta memoria, por lo que nos centraremos
ahora en los dos primeros.
a) Iluminación
Tal y como establece la “Guía para la evaluación y prevención de los riesgos relativos
a la utilización de los lugares de trabajo” en su artículo 8 (ver el Anexo IV del RD
486/1997), la iluminación de cada zona o parte de un lugar de trabajo deberá adaptarse a
las características de la actividad que se efectúe en ella, teniendo en cuenta dos aspectos:
- Los riesgos para la seguridad y salud de los trabajadores dependientes de las
condiciones de visibilidad.
- Las exigencias visuales de las tareas desarrolladas.
El caso de la sala de ensayos en estudio, se trata de un lugar de trabajo de exigencias
visuales altas, por lo que el nivel mínimo de iluminación será de 500lux, siendo necesario
una distribución lo más uniforme posible de las luminarias. Esto equivale, según la norma
UNE 72-112-85 a una categoría de la tarea tipo E (trabajos de reparación de automóviles,
entre otros).
También resulta necesario un alumbrado de emergencia de evacuación y de seguridad
(de 80 lux, con batería independiente de al menos 1 hora de autonomía), por tratarse de un
lugar de trabajo en el que un fallo en el alumbrado normal supone un riesgo para la
seguridad de los trabajadores.
b) Insonorización
En el Anexo I del Real Decreto 1215/1997 se expone que “… todo equipo de trabajo
que entrañe riesgos por ruido, vibraciones o radiaciones deberá disponer de las
protecciones o dispositivos adecuados para limitar, en la medida de lo posible, la
Diseño de una sala de pruebas para motores alternativos de combustión interna Pág. 85
generación y propagación de estos agentes físicos”. El ruido es uno de los principales
factores de malestar para todos aquellos trabajos que necesiten un mínimo de
concentración. Un sonido con un volumen mayor de 80dB ininterrumpidamente durante
ocho horas puede causar daños a nuestro oído.
Con la finalidad de reducir el nivel de ruido hasta valores tolerables tanto en la sala de
control como en las dependencias colindantes a la sala de pruebas, ambas salas deben estar
formadas por materiales que proporcionen un aislamiento eficaz. Para ello se suele recurrir a
la acción combinada de materiales aislantes (chapa metálica) y materiales absorbentes (lana
de roca con un panel de chapa perforada). Es necesario también aplicar medidas de control
tales como cerramientos y pantallas acústicas (de forma que tanto las puertas de acceso a las
salas como las ventanas que permiten el control visual de los elementos de la sala de pruebas
proporcionen el mismo aislamiento acústico que las propias paredes).
En la “Figura 11.1” se puede observar un ejemplo de gráfico de aislamiento, que lo
ofrecen los fabricantes de los diferentes tipos de material para la insonorización de cabinas.
Considerando que un motor de 290kW trabajando a plena potencia genera un ruido de,
aproximadamente 100dB, un material con esta curva de aislamiento sería adecuado para
utilizar en la construcción de la sala de pruebas.
Figura 11.1 – Gráfico de aislamiento
Pág. 86 Diseño de una sala de pruebas para motores alternativos de combustión interna
11.2 Procedimiento de arranque
Como ya hemos mencionado en más de una ocasión, las pruebas que se realizan en
una sala de ensayos generan muchos riesgos. Es por eso por lo que se puede establecer una
serie de verificaciones antes de poner en marcha el sistema:
- No se está trabajando en ninguno de los elementos que componen el sistema.
- El freno y el motor están alineados.
- El cárter de protección se encuentra colocado, y no hay rozamientos entre éste y la
transmisión.
- No hay herramientas colocadas en la bancada.
- Está conectado el sistema de alimentación de combustible.
- Verificar el aceite del motor.
- El sistema hidráulico está encendido.
- El sistema de detección de incendios funciona correctamente.
- Sistema de ventilación encendido.
- Verificar que las puertas de la sala se hayan cerrado.
Una vez verificados todos estos puntos, ya estamos en disposición de realizar el arranque
del motor y de realizar las pruebas que se consideren oportunas.
Diseño de una sala de pruebas para motores alternativos de combustión interna Pág. 87
12. MANUAL DE UTILIZACIÓN
Como se explicó con anterioridad, las salas de ensayo disponen actualmente de
sistemas de control remoto (tanto para el freno como para el propio motor, lo que permite
controlar y regular el par de frenado y el régimen de giro del motor en pruebas.
En nuestro caso, disponemos de los siguientes equipos:
1. Controlador de freno, modelo MP-2030, de la firma APICOM.
2. Controlador de motor, modelo MP-2020, de la firma APICOM.
3. Medidor de consumo, modelo MC-1090, de la firma APICOM.
4. Software de realización de las pruebas XtWin Plus, de la firma APICOM.
5. Software de visualización de resultados WinPlot, de la firma APICOM.
A continuación se detalla el proceso para la ejecución de las pruebas una vez
realizadas las comprobaciones vistas en el apartado “11.2 Procedimiento de arranque”, en el
supuesto de que el módulo MP-2030 trabaja en el modo “N=k” (régimen de giro constante) y
el módulo MP-2020 en el modo “M=k” (par constante) tal y como se explica en el apartado
“3.2.1 Secuencia de pruebas. Modos de control”:
1. Situar el selector de modo de trabajo en el controlador de freno en “N=k”.
2. Colocar el potenciómetro del MP-2030 en el valor máximo para evitar que el freno
actúe.
3. Situar el selector de modo de trabajo en el controlador de motor en “M=k”.
4. Colocar el potenciómetro del MP-2020 en el valor mínimo para permitir el
arranque del motor en ralentí.
5. Abrir el programa XtWin Plus para la realización de las pruebas y entrar en la
opción de “Modo Manual”.
6. Arrancar el motor desde el armario situado junto a la mesa de la sala de control.
En este punto, ya se puede proceder a la realización de la prueba, siendo posible
regular tanto el régimen de giro como el par.
Pág. 88 Diseño de una sala de pruebas para motores alternativos de combustión interna
Regulación del régimen de giro mediante el controlador MP-2030: en caso de utilizar
el módulo en el modo de control de régimen constante, el selector (posición 1 en la “Figura
12.1”) ha de estar en la posición “N=k”. Mediante el potenciómetro (posición 2 en la “Figura
12.1”) es posible regular el régimen de giro del motor (variando la corriente que circula por
las bobinas del freno y, por tanto, la carga de frenado) aumentándolo en caso de girarlo en
sentido horario y reduciéndolo si se gira en el sentido anti horario.
Regulación del par mediante el controlador MP-2020: en caso de utilizar el módulo en
el modo de control de par constante, el selector (posición 1 en la “Figura 12.2”) ha de estar en
la posición “M=k”. Mediante el potenciómetro (posición 2 en la “Figura 12.2”) es posible
regular el valor del par, aumentándolo en caso de girarlo en sentido horario y reduciéndolo si
se gira en el sentido antihorario.
También es posible realizar el ajuste del par y del régimen de giro desde el software de
realización de las pruebas (tanto en el MP-2030 como en el MP-2020), siendo para ello
necesario colocar el selector (posición ‘1’ tanto en la “Figura 12.1” como en la “Figura
Figura 12.1– Puesta en marcha del MP-2030
Figura 12.2– Puesta en marcha del MP-2020
Diseño de una sala de pruebas para motores alternativos de combustión interna Pág. 89
12.2”) en la posición “PROG”. En este caso, el potenciómetro (posición ‘2’ tanto en la
“Figura 12.1” como en la “Figura 12.2”) queda deshabilitado.
En la “Figura 12.3” se puede observar una ventana del XtWin Plus. Este programa
permite tanto la visualización de las magnitudes adquiridas en tiempo real (temperaturas,
presiones, consumo,…) como el control del freno y del acelerador.
Figura 12.3– Sistema de adquisición
Pág. 90 Diseño de una sala de pruebas para motores alternativos de combustión interna
Una vez realizadas las pruebas, es posible visualizar los resultados con el software de
gestión de resultados WinPlot. En la “Figura 12.4” se pueden ver los resultados obtenidos
durante una prueba mediante este programa:
Los manuales de instrucciones del controlador de freno MP-2030, controlador de
acelerador MP-2020, XtWin Plus y WinPlot se pueden consultar en los CD’s entregados junto
a esta memoria.
Figura 12.4– Graficación de resultados
Diseño de una sala de pruebas para motores alternativos de combustión interna Pág. 91
13. ANÁLISIS DE COSTOS
Diseño de una sala de pruebas para motores alternativos de combustión interna Pág. 93
14. PLANIFICACIÓN TEMPORAL
Diseño de una sala de pruebas para motores alternativos de combustión interna Pág. 95
15. CONCLUSIONES
Los bancos de pruebas son importantes en todo el ciclo de vida de los motores. En la
fase de investigación y desarrollo permiten su control y análisis, siendo posible realizar
modificaciones que permitan su mejora; en la fase de producción se puede controlar que cada
vehículo que sale al mercado cumpla los requisitos de calidad correspondientes; también el
sector de rectificación de motores es un usuario habitual de los bancos, puesto que le permite
reparar un motor y comprobar la eficacia del trabajo realizado; y, englobando a todos ellos, en
la fase de homologación, puesto que el banco de pruebas permite someter a los motores a unas
condiciones controladas para verificar su comportamiento (sirva de ejemplo la homologación
de vehículos o la inspección técnica de los mismos).
Es por eso por lo que se ha considerado interesante realizar un estudio sobre los
elementos que integran una sala de pruebas para motores, desde la propia cabina e
instalaciones a realizar hasta el tipo de sensores utilizados y software informático para el
control del motor. Todo ello permite la realización de pruebas con un motor debidamente
alimentado (de agua, combustible, aire,…), controlado (principalmente en régimen de giro y
potencia desarrollada) y cuantificado (por temperaturas, presiones,…).
Por último, es importante también destacar que el impacto ambiental provocado por la
instalación de una sala de pruebas es mínimo, tal y como se ha visto anteriormente, puesto
que es el equivalente a cualquier motor de combustión interna utilizado en nuestros vehículos,
grupos electrógenos,…
Diseño de una sala de pruebas para motores alternativos de combustión interna Pág. 97
16. AGRADECIMIENTOS
La idea de la realización del presente proyecto surgió tras una conversación con Ismael
Callejón (Profesor Titular de Universidad del Departamento de Máquinas y Motores
Térmicos), quién muy amablemente se ofreció a dirigirlo. Quiero agradecerle a él su ayuda y
colaboración, que ha sido muy importante para llevarlo a cabo. Debido a su baja temporal
como personal de la E.T.S.E.I.B., este proyecto ha sido codirigido por Jesús Álvarez (Profesor
Titular de Universidad de Máquinas y Motores Térmicos), quién me ayudó en su desarrollo
final y por ello le estoy también muy agradecido.
Quiero agradecer también su atención y apoyo, no sólo durante la realización del
proyecto, sino también durante los estudios de la carrera, a Manuel Moreno (Profesor Titular
de Universidad del Departamento de Electrónica). Y por la información facilitada de todos
sus productos a Api Com España, S.L.
Y, por todo…
a mi Madre
Diseño de una sala de pruebas para motores alternativos de combustión interna Pág. 99
17. BIBLIOGRAFÍA
[1] BONNIN; Flexión. Esfuerzo Cortante; Barcelona: ETSEIB-CPDA, 1997.
[2] CARRERAS-COMAS-CALVO; Motores de combustión interna. Fundamentos;
Barcelona, Aula Quadern.
[3] CONESA; Guía metodológica para la evaluación del impacto ambiental; ETSEIB-
CPDA, 1995.
[4] DALLY-RILEY-McCONELL; Instrumentation for Engineering Measurements; John
Wiley & Sons, Inc. Second Edition.
[5] Dpto. ELASTICIDAD y RESISTENCIA de MATERIALES; Tablas; Barcelona: ETSEIB-
CPDA, 1997.
[6] FERGUSON-KIRKPATRICK; Internal Combustion Engines; John Wiley & Sons, Inc.
Second Edition.
[7] PLINT-MARTYR; Engine Testing, Theory and Practice; SAE International, 2002.
[8] SEGALÀS, JORDI; L’avaluació sostenibilista del PFC; CETIB, 2002.
[9] Varios autores; Medi ambient i tecnología; Edicions UPC, 1998.
[10] WANG-LAVAN-NORTON; Air Conditioning and Refrigeration Engineering; CRC
Press, 2000.
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